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Wechselstrom-Puffermaschine für veränderliche Geschwindigkeiten.
Die Erfindung betrifft eine Wechselstrom-Puffermaschine, bei der die Pufferwirkung durch Veränderung der Tourenzahl hervorgebracht wird. Solche Puffermaschinen arbeiten in erster Linie mit Schwungrädern als Energiespeicher zusammen. Durch Ladung und Entladung des Schwungrades wird die Puffermaschine zur Aufnahme und Abgabe elektrischer Energie befähigt, die sie in Parallelschaltung zur Stromquelle und zum Verbraucher, dessen schwankende Belastung ausgeglichen werden soll, an das elektrische Netz abgibt.
Erfindungsgemäss soll als Puffermaschine eine Nebenschluss-Kollektormaschine mit Bürstenregulierung verwendet werden. Infolge der Nebenschlusscharakteristik dieser Maschine entspricht jeder Bürstenstellung eine bestimmte Tourenzahl, die nur in geringem Masse von der Belastung abhängig ist. Um somit durch Veränderung der Tourenzahl die Ladung und Entladung des Schwungrades herbeizuführen, müssen bei der Regelung die Bürsten mit einer Geschwindigkeit verschoben werden, die der Änderung der Tourenzahl des Pufferaggregates entspricht. Es müssen also beispielsweise bei Energieabgabe die Bürsten mit ganz bestimmter Geschwindigkeit dauernd in der einen Richtung, bei Energieaufnahme dauernd in der anderen Richtung verschoben werden.
Diese Art der Regulierung ist für Puffermaschinen völlig neu und verlangt eine
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In den Figuren sind Beispiele der Erfindung beschrieben, und zwar ist gezeigt, wie die Puffermaschine im besonderen als Kaskadennebenschlussmotor ausgebildet werden kann, indem als Hauptmaschine eine normale asynchrone Drehfeldmaschine verwendet wird, die mit einem Nebenschluss-Kollektormotor und dem Schwungrad fest gekuppelt ist. Der Kollektormotor ist mit der Hauptmaschine und dem Netz elektrisch verbunden ; er wird durch Bürstenverschiebung geregelt und bestimmt so die Tourenzahl des Pufferaggregates. Der Kollektormotor kann auch selbst als Hauptpuffermaschine verwendet werden, so dass dann die Kaskadenschaltung zweier Maschinen fortfällt.
In den Figuren ist bei 1 eine Drehstromzentrale als Stromquelle, bei 2 ein Verbraucher mit stark veränderlicher Belastung in dem Drehstromnetz 3 angenommen. Parallel zu dem Verbraucher ist die Leitung 4 abgezweigt, die zur Puffermaschine 5 führt. Mit dieser ist unmittelbar gekuppelt das Schwungrad 6 und der Nebenschluss-Kollektormotor 7. Die elektrische Verbindung der beiden Maschinen 5 und 7 ist durch die Leitungen 8 und 9, der Anschluss des Motors 7 an das Netz 3 durch die Leitung 33 angedeutet. Die erstere enthält den lediglich zum Anlassen benutzten Flüssigkeitsanlasser 10, während die Leitung 9 zu dem beweglichen Bürstenansatz 11 der Kollektormaschine 7 führt.
Die beweglichen Bürsten sitzen an der mit einem Zahnrad versehenen Bürstenbrücke 12, die also zwecks Regelung zu verstellen ist. In sämtlichen Figuren sind die Bezeichnungen übereinstimmend gewählt,
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In Fig. i erfolgt die Verstellung der Bürstenbrücke durch einen Elektromotor 13, der in Leonardschaltung aus einer kleinen Leonarddynamo 14 gespeist wird. Diese ist mit zwei einander entgegengeschalteten Erregerwicklungen 15 und 16 versehen, deren Erregung durch
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deshalb stillsteht. Dieser Zustand tritt lediglich dann ein, wenn der augenblickliche Verbraucher- strom tatsächlich dem zeitlichen Mittelwert entspricht. Sowie Abweichungen hiervon nach der einen oder anderen Seite'auftreten, ändert sich dementsprechend der Zentralenstrom und der Schnellregler wird nunmehr entweder die Wirkung der Erregerwicklung 16 oder der Wicklung 15 überwiegen lassen.
Die Leonarddvnamo erhält Spannung, je nach dem überwiegender einen oder anderen Wicklung positiv oder negativ, und der Verstellmotor 13 wird die Bürsten nach links oder rechts verschieben in dem Sinne, dass bei Anwachsen des
Verbraucherstromes die Puffermaschine 5 Energie abgibt, beim Sinken des Verbraucher- stromes Energie aufnimmt. Das Schwungrad kommt dementsprechend zur Entladung, die
Drehzahl der Puffermaschine ändert sich und zwar genau entsprechend der Einstellung der
Bürsten. So lange der Verbraucherstrom vom Mittelwert abweicht, wird auch der Schnell- regler die Differenz der Erregerwicklungen 15 und 16 aufrechterhalten und die Bürsten verstellen. Die gewünschte Pufferwirkung wird also durch die Anordnung erzielt. Um Über- regulieren zu verhindern ist eine Rückstellung erforderlich.
Hierfür kann ein Regelwiderstand in einer Erregerleitung der Steuerdynamo 14 vorgesehen werden, entweder in den gezeichneten zu den Wicklungen 15 und 16 gehörigen oder in einem besonderen Erregerstromkreis, der von der Bürstenbrücke 12 aus in dem Sinne beeinflusst wird. dass der Regelimpuls durch die einsetzende Regelbewegung selbst wieder verringert oder unterbrochen wird. Die Aus- führung der Rückführung kann in der mannigfaltigsten Weise nach bekannten Vorbilden erfolgen. An Hand von Fig. 3 sind weitere Angaben hierüber gemacht.
Damit das Schwungrad des Pufferaggregates Energie abgibt oder aufnimmt, ist eine ganz bestimmte Verzögerung oder Beschleunigung desselben notwendig, die den grössten
Wert bei unterster Drehzahl besitzt. Die Beschleunigung oder Verzögerung der Puffermaschine ist gegeben durch die Geschwindigkeit der Bürstenbewegung während ihrer Verstellung.
Denn da jeder Bürstenlage eine bestimmte Geschwindigkeit des Motors zugeordnet ist, so entspricht jeder Bürstengeschwindigkeit eine bestimmte Verzögerung oder Beschleunigung des Schwungrades. Die Geschwindigkeit des Verstellmotors 14 muss also nicht nur abhängig sein von der Grösse der Abweichung des Zentralenstromes vom Mittelwert, sondern auch von der Stellung der beweglichen Bürsten selbst.
Es ist aber noch eine weitere Abhängigkeit zu berücksichtigen, nämlich der Umstand, dass zufolge der Eigenschaften des Drehstrom-Kollektor-
Nebenschlussmotors 7 zur Erzielung einer bestimmten Geschwindigkeitsänderung in der Nähe der synchronen Drehzahl nur eine mässige Bürstenverschiebung notwendig ist, dass diese
Verschiebung aber in der Nähe der höchsten und tiefsten Drehzahl sehr viel grösser wird, so dass für gleiche Beschleunigungen grössere Bürstengeschwindigkeiten erforderlich sind.
Dieser Zusammenhang zwischen Grösse der Bürstenverschiebung und Stellung der Bürsten kann durch eine Kosinusfunktion dargestellt werden. Da zwischen der Leistung des Schwungrades und seiner Verzögerung also ein Zusammenhang besteht, der lediglich von der momentanen Drehzahl abhängt und da. ebenfalls der Zusammenhang zwischen Bürstengeschwindigkeit und Beschleunigung des Motors entsprechend dieser Kosinusfunktion auch lediglich von der Drehzahl abhängt, so ist es möglich beide Einflüsse gleichzeitig zu berücksichtigen.
Dies kann in verschiedener Weise geschehen. Gemäss Fig. i geschieht es durch einen Nebenschlussregulator 19, der in den Stromkreis der Erregerwicklung 20 des Verstellmotors 13 eingeschaltet ist und über eine Schnecke 21 und ein Zahnrad 22 von dem Zahnrad 12 der Bürstenbrücke aus verstellt wird. Die Verteilung der Widerstandswerte der einzelnen Abteilungen dieses Nebenschlussreglers über die einzelnen Kontaktstufen kann durch Rechnung oder experimentell so vorgenommen werden, dass die Veränderung der Geschwindigkeit des Verstellmotors in Abhängigkeit von der Stellung der Bürstenbrücke die gewünschte ist.
Das gleiche Ziel lässt sich durch mechanische Mittel erreichen, wenn man das Getriebe zwischen Verstellmotor und Bürstenbrücke mit veränderlichem Übersetzungsverhältnis ausführt, so dass das Übersetzungsverhältnis verschieden ist, je nach der Stellung der Bürstenbrücke. Die Anordnung wird erläutert an Hand von Fig. 2. Der Verstellmotor 13 treibt hier über Schnecke 23 und Zahnrad 24 eine Kurbel 25, die durch eine Stange 26 mit der Bürstenbrücke 12 verbunden ist. Dies Kurbelgetriebe hat veränderliche Übersetzung. In der aus-
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. uezogenen Stellung ist das Übersetzungsverhältnis am grössten. in der punktiert angedeuteten Stellung am geringsten.
Die Veränderung des Übersetzungsverhältnisses ist hier durch ein Schubkurbelgetriebe bewirkt, statt dessen kann natürlich jedes andere gleichwertige Getriebe verwendet werden, z. B. elliptische Zahnräder, die den : Motor 13 mit der Bürstenbrücke 12 kuppeln.
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unmittelbar auf die Zentrale, da ja die Puffermaschine noch nicht eingreift. Bei der Anordnung nach Fig. 1 ist eine solche Verzögerung in manchen Fällen immerhin noch bemerkbar und in erster Linie durch magnetische und mechanische Trägheit der Leonard-
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Druckzylinder,' ? 7 angeordnet. dessen Kurbelgestänge : M auf das Zahnrad 29 arbeitet, das wiederum mit der Bürstenbrücke 12 in Eingriff steht.
Der Kolben des Zylinlers 27 wird durch Pressöl bewegt, das durch das Rohrsystem 30. 31 zu- und abgeführt wird. Mit 32 ist der Steuerkolben für den Pressölzylinder bezeichnet, der durch das Leistungsrelais 33 verstellt wird. Dies Leistungsrelais ist, wie der Strop, transformator 18 gemäss Fig. i, in den Zentralenstrom eingeschaltet und reguliert in an sich bekannter Weise auf konstante Leistung.
34 ist die Feder des Leistungsrelais, mit Hilfe deren die Grösse des konstant zu haltenden Stromes in an sich bekannter Weise eingestellt werden kann. 35 ist ein kleiner Hilfsmotor, der mit konstanter Geschwindigkeit läuft und beispielsweise unmittelbar von der Zentrale aus gespeist werden kann. Mit ihm gekuppelt ist eine Reibscheibe 36, auf der das Reibrad 37 läuft. Dieses Reibrad 37 ist mit einer Hülse 38 verbunden, die mit Gewinde versehen ist und in die das zum Steuerkolben 32 führende Gestänge mit dem gleichfalls als Gewinde ausgebildeten Ende 39 eingeschraubt ist.
An der oberen Seite der Hülse 38 ist das zum Leistungsrelais führende Gestänge 40 so befestigt, dass eine Drehung der Hülse ohne gleich-
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mit der Kurbel des Leistungsrelais verbunden, andrerseits mit dem rechten Ende an die verlängerte Kolbenstange 43 des Druckzyiinder. 27 angeschlossen.
Die Wirkung ist folgende : Sowie im Verbrauchstromkreis : 2 eine Belastungsänderung eintritt, verstellt sich das Leistungsrelais 33 und verschiebt dadurch, da zunächst das Gestänge 43 des Steuerzylinders 27 noch feststeht, le iglich das linke Ende des Querhebels 41, so dass der Steuerkolben 32 nach oben oder unten bewegt wird. Das Pressöl tritt dementsprechend unter oder über den Kolben des Presszylinders 27 und verstellt Über 28, 29 die Bürstenbrücke 12, so dass das Schwungrad in gewünschtem Sinne zum Ausgleich des Belastungsstosses zur Wirkung kommt.
Die Bewegung des Steuerkolbens überträgt sich aber durch die Stange 53 auf den Querhebel 41, und zwar in an sich bekannter Weise nach Art der Rückstellungen so auf die Hülse 38, dass die vorher eingeleitete Bewegung des Steuerkolbens 32 wieder rückgängig gemacht wird. Es findet also eine Unterbrechung des Regelvorganges statt, und zwar zu dem Zwecke, ein Überregulieren und Pendelerscheinungen im Reguliervorgang zu vermeiden. Diese Rückstellung der Hülse 38 findet solange statt, bis der Steuerkolben 32 in die Deckstellung und das Reibrad 37 wieder in die Mitte der Scheibe 36 gelangt ist.
Bei der vorhergehenden Verschiebung aus der Mittellage heraus wurde das Reibrad 37 in Drehung versetzt und veränderte dabei durch das Hinaus-oder Hineinschrauben der Stange 39 die Länge des zwischem dem Steuerkolben 32 und dem linken Endpunkt des Hebels 41 eingeschalteten Gestänges. Diese Vorrichtung hat den Zweck auch nach der Regulierung die Mitte des Hebels 41 wieder genau in die ursprüngliche Lage zurückzuführen, damit für alle Stellungen der Bürstenbrücke der Stromwert, auf welchen das Leistungsrelais einreguliert, genau der gleiche ist und ausserdem ein schnelleres Öffnen und verzögertes Schliessen durch den Steuerkolben zu gewährleisten.
Auch diese letzte Reguliervorrichtung ist an sich bekannt, und zwar unter dem Namen Isodromvorrichtung, Die Rückführung und Isodromvorrichtung sind also an sich bekannte Elemente, deren Anwendung auf die vorliegende Regelaufgabe gezeigt wird und die zweckmässig bei jeder Ausführung, also auch bei den folgenden Beispielen, verwendet werden. Sie können durch gleichartige Einrichtungen, wie sie insbesondere für Turbinenregelungen bekannt sind, auch im vorliegenden Fall ersetzt werden.
Eine weitere Reguliereinrichtung für die Bürstenverstellung ist in Fig 4 dargestellt.
Die Bürstenbrücke 12 wird über das Zahnrad 29 durch zwei Hilfsmotoren 44 und 45 verstellt. Beide Motoren sind beispielsweise asynchrone Drehfeldmotoren mit Schleifringen
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Leitung 49 an die Sekundärwicklung des Hilfstransformators 18 angeschlossen ist, dessen Primärwicklung von dem Zentralenstrom durchflossen wird. Die Widerstände 46 und 47 werden nun so abgeglichen, dass die Drehmomente der beiden Motoren sich genau aufheben, wenn der Zentralenstrom den Mittelwert hat.
Weicht er jedoch vos diesem Mittelwert nach oben oder unten infolge der von 2 kommenden Stromänderungen ab. so überwiegt das Drehmoment des einen oder anderen der kleinen Hilfsmotoren 44 oder 45 und das Zahnrad 29 kommt in Drehung, wodurch die Bürstenbrücke 73 im Sinne des Belastungausgleiches durch das Schwungrad verstellt wird. Hier kann die Rückführung von der Bürstenbrücke 12 aus auf die Widerstände 46 oder 47 einwirken.
Um eine gute Pufferung zu erzielen, d. h. um sicher die Stromstösse des Verbrauchers 2 von der Zentrale abzuhalten, ist es nötig, die Puffermaschine bei Stromänderung so schnell wie möglich zur Wirkung zu bringen. Hierfür können verschiedene weitere Mittel angewendet werden. Zunächst tritt eine Verzögerung des Ansprechens der Puffermaschine jedesmal bei ihrem Übergang aus dem Motor-in den Generatorzustand ein und umgekehrt. Diese Verzögerung ist nicht etwa den hier erfindungemäss verwendeten elektrischen Maschinen eigentümlich, sondern tritt auch bei jeder beliebigen anderen elektrischen Maschine auf und ist dadurch begründet, dass jeder Motor einen gewissen Tourenabfall und jeder Generator einen Spannungabfall besitzt.
Dieser Abfall zwischen Leerlauf und voller Leistung, der bei den gemäss der Erfindung verwendeten Kollektor-Nebenschlussmotoren sogar ziemlich gering ist,
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kann natürlich nur durch eine Verschiebung der Bürsten erfolgen. Gemäss der Erfindung soll die so erforderliche Übergangszeit zwischen Generator und Motorbetrieb der Puffermaschine dadurch verkürzt werden, dass den Bürsten durch eine Reibungkupplung auf der Welle des Bürstenverstellmotors jedesmal dann eine zusätzliche Bewegung nach der einen oder anderen Richtung erteilt wird, wenn der Bürstenverstellmotor seine Drehrichtung ändert, wenn also die Schwungradpuffermaschine vom Motor-auf Generatorbetrieb übergeht.
Dies kann erreicht werden dadurch, dass die Bürsten 11 gegen die Bürstenbrücke 12 um einen bestimmten Betrag verschiebbar sind, und dass diese Verschiebung, die beiderseits durch Anschläge
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Welle 7'8 des Zahnrades 29 befestigt ist, wie es in der folgenden Fig. 5 bei 72 und 73 für den Fall dargestellt ist, dass beide Bürstensätze des Kollektors gleichzeitig, und zwar in entgegengesetztem Sinne verschoben werden. 72 ist die Reibungskupplung und 73 der Verstellhebel. Dieser kann innerhalb zweier nicht gezeichneter Anschläge das Planetenrad 74 des Differentialgetriebes um die Achse 78 des Zahnrades 29, also senkrecht zur Papierebene verdrehen. Bei jeder Bewegungsumkehr der Welle 78 wird der Hebel dann den Bürsten die zusätzliche Bewegung erteilen, die vielleicht von der Grössenordnung einer oder mehrerer Segmentbreiten des Kollektors der Maschine 7 ist.
Die weitere Drehung des Zahnrades 29 wird durch diesen Bürstenverstellhebel 78 nicht gehindert, da die Reibung, mit der er auf der Welle des Zahnrades befestigt ist, nicht zu gross sein darf, sondern lediglich für die Bewegung der Bürsten zu genügen braucht.
Ein weiteres Mittel zur Beschleunigung des Regelvorganges besteht darin, dass die Regeleinrichtung der Puffermaschine, also die Bürstenverstellung nicht vom konstant zu haltenden Zentralenstrom aus gesteuert wird, sondern von dem veränderlichen Strom des Verbrauchers 2 oder von beiden zugleich. An sich sind derartige Regulierverfahren bekannt, beispielsweise nach der Patentschrift Nr. 241581. Das Neue gemäss vorliegender Erfindung besteht jedoch darin, dass die Bürstenverstellung vom Verbraucherstromkreis nur dann beeinflusst wird, wenn in diesem eine Änderung der Stromverhältnisse eintritt. Jede Änderung bewirkt also ein sofortiges Ansprechen der Schwungradmaschine in dem gewünschten Sinne des Belastungsausgleiches. Ein Beispiel hierfür Lt in Fig. 5 angegeben.
Der Verstellmotor 13 treibt das mit der Bürstenbrücke 12 in Eingriff stehende Zahnrad 29 über ein Differentialgetriebe 50 an, dessen Planetenräder 51 mit dem Zahnrad 52 eines Hilfsmotors 53 in Verbindung stehen. Dieser Hilfsmotor wirkt nach Art eines Relais gegen eine Feder 54. Er ist als Wechselstrommotor beliebiger Bauart zu betrachten, der über die Leitung 55 an einen Hilfstransformator 56 angeschlossen ist, dessen Primärwicklung als Serienwicklung im Verbrauchsstromkreis 2 liegt. Ist der Verbrauchsstrom konstant, so steht der Motor 53 und damit das Planetenrad 51 des Planetengetriebes still. Die Feder 54 ist der Grösse des Verbrauchsstromes entsprechend gespannt. Ändert sich jetzt der Verbrauchsstrom, so ändert auch sofort der Motor J3 seine Stellung und bewegt dadurch das Planetenrad 51.
Es wird also, auch wenn der Motor 13 noch nicht angesprochen hat, schon eine Bewegung der Bürstenbrücke 12 vom Verbrauchsstromkreis aus hervorgerufen. Durch richtige Wahl des Dreh- sinnes des Motors 53 ist dafür zu sorgen, dass diese Bürstenverstellung in dem Sinne auftritt ! dass die durch sie eingeleitete Schwungradentladung oder-ladung die gewünschte
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Pufferwirkung im Verbrauchs-'tromkreise hervor\-orhringt. Nehen der so eingeleiteten Bürstenverstellung wird natürlich auch vom Zentralenstrom aus über den Schnellregler 17, wie schon beschrieben ist, auf die Bürsten eingewirkt. Die von den Bürstenverstellmotoren 13 und 53 kommenden Bewegungen werden eben durch das Differentialgetriebe nebeneinander auf die Bürstenbrücke übertragen.
In Fig. 5 ist, wie schon erwähnt, die gleichzeitige Verstellung beider Bürstenbrücken 12 und 77 dargestellt. Die Bewegungen beider Brücken sind einander entgegengesetzt, was dadurch erreicht wird, dass ein zweites Differentialgetriebe 74,75, 76 zwischen die Achsen 78 und 79 der Zahnräder 29 und 80 zwischengeschaltet ist, welche die Bürstenbrücken antreiben. Durch den Hebel 73 wird bei Bewegungsumkehr der Achse 78 die geschilderte zusätzliche Verstellung der Bürstenbrücke, und zwar insbesondere der Bürstenbrücke 77 erreicht. Diese zusätzliche Verstellung hat ausser dem angebenen Zweck, den Touren-bzw.
Spannungsabfall der Puffermaschine zwischen Generator-und Motorwirkung auszugleichen, noch einen Nebenzweck. Dieser besteht darin, die Deckstellung der beiden Bürstensätze auf dem Kollektorumfang zu verschieben. Hierdurch kann die Phase des von der Puffermaschine aufgenommenen oder abgegebenen Stromes beeinflusst werden und es lässt sich durch die Grösse der Verschiebung erreichen, dass eine bestimmte Phasenkompensation für den Motor-wie für den Generatorbetrieb aufrechterhalten oder in beliebiger Weise geändert wird.
Die gleiche Einwirkung vom Verbrauchsstromkreise aus kann man mit Hilfe eines Steuerrelais für den Verstellmotor 53 erzielen, das so eingerichtet ist, dass seine Kontakte nur bei Änderung der Stromstärke des Verbrauchsstromkreises in Tätigkeit treten. Ein solches Relais ist schematisch in Fig. 6 dargestellt. 69 ist die Spule des Relais, die in den Verbrauchsstromkreis 2 eingeschaltet ist. Der Anker 70 ist an der Feder 57 aufgehängt und trägt eine Stange 58, die unten in einer Führung 59 geführt wird. Zwei Querstangen 60 und 61 tragen, zwischen Federn 62 aufgehängt, ein zylindrisches Gewicht 63. An diesem
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dem Steuerstromkreis 66 des Hilfsmotors 53 führen, der seinerseits durch Leitungen 71 an das Netz 3 angeschlossen ist. Der Gegenkontakt 67 ist an der Stange 58 befestigt.
Dieser spielt in der Mitte zwischen den beiden Kontakten 64 und 65 ein, wenn das Relais in Ruhe ist, d. h., wenn keine Stromänderung im Stromkreis 2 auftritt. Tritt jedoch eine solche Änderung auf, so verstellt sich augenblicklich der Anker 70 und damit der Mittelkontakt 67, so dass entweder oben oder unten Berührung mit den Gegenkontakten 64 oder 65 auftritt und damit der Motor 53 in dem einen oder anderen Sinne gesteuert wird. Die Gegenkontakte 64 oder 65 können sich nicht so schnell mitverstellen, da die grosse Masse des Gewichtes 63 dies nicht zulässt ; vielmehr wird der Zylinder 63 erst ganz allmählich durch die Federn 62 der neuen Einstellung des Ankers 56 folgen.
Ist dies geschehen, so ist auch wieder die Mittellage zwischen den Kontakten 64, 67,65 hergestellt und damit der Steuerstromkreis 66 unterbrochen, so dass dann wieder der Motor 53 zum Stehen kommt. Also nur bei Änderungen der Verbrauchsstromstärke findet eine Steuerung des Motors 53 statt. Neben diesem kann natürlich auch der Motor 13 gleichfalls auf die Bürstenverstellvorrichtung einwirken. Damit am Relais keine Schwingungen und Pendelungen auftreten, ist die Bewegung des Gewichtes 63
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Dämpferflüssigkeit steht, wie in Fig. 6 angedeutet ist.
PATENT-ANSPRÜCHE : i. Wechselstrompuffermaschine für veränderliche Geschwindigkeit, gekennzeichnet durch die Verwendung einer durch Bürstenverschiebung geregelten Kollektor-Nebenschlussmaschine als Puffermaschine.