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Spannungsregel-und Stabilisierungseinrichtung für selbsterregte elektrostatische
Generatoren Die- Erfindung betrifft eine Spannungsregel- und Stabilisiereinrichtung
für selbsterregte elektrostatische Generatoren. Elektrostatische Generatoren sind
bekanntlich im Gegensatz zu den elektromagnetischen Generatoren, die - primär gesehen
- Spannungserzeuger sind, Stromerzeuger, deren Strom fast unabhängig von der abgegebenen
Spannung ist. Die äußere Charakteristik einer solchen Maschine gibt beispielsweise
die Kurve u1 in Fig. 1 der Zeichnung wieder. Es ist bei dieser Charakteristik nicht
möglich, einen Verbraucher zu betreiben, dessen Arbeitspunkt beispielsweise bei
C' liegt. Aus diesem Grunde hat man frühzeitig erkannt, daß man zusätzliche Belastungen
schaffen muß, um die Spannungen nicht über alle Grenzen wachsen zu lassen. Als Belastung
wird eine Anordnung aus einer gegen eine Platte gerichtete Spitze vorgesehen, über
die ein - je nach dem Abstand in gewissen Grenzen regelbarer - Glimmstrom fließt.
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Bei fremderregten elektrostatischen Generatoren hat man diesen Glimmstrom
über Widerstände fließen lassen und die an diesen auftretenden Spannungsabfälle
zur Steuerung der Erregerspannung auf der Niederspannungsseite bei Anwendung verhältnismäßig
komplizierter Mittel benutzt, wobei ein Absinken der Hochspannung eine Erhöhung
der Erregerspannung zur Folge hat und umgekehrt; vgl. U. Neubert, Elektrost. Generatoren,
R. Oldenbourg 1954, S. 102. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, die Umladespannung
auf der Hochspannungsseite aus der Hohlkugel mittels einer Sprühspitze herauszuführen
und ihren Abstand gegen eine feste Platte veränderlich zu gestalten und dadurch
Einfluß auf die Spannung zu gewinnen.
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Bei elektrostatischen Generatoren, die vom Start aus nicht selbsterregend
sind, sondern einen kurzen fremden Erregerstromstoß benötigen, muß der erzeugte
Ladestrom verbraucht werden, ohne daß man bisher in der Lage war, die Spannung anders
als durch einen einfachen Glimmstrom über eine an Erde liegende Sprühspitze oder
einen Sprühkamm (Spitze J Platte) grob zu regeln. Die Erfindung zeigt nun einen
Weg, wie eine einwandfreie Regelung und Stabilisierung der Spannung auch für solche
Generatoren mit Hilfe eines zwischen der Hochspannungselektrode und Erde liegenden
Systems Spitze-Platte auf einfachstem Wege erreicht werden kann. Erfindungsgemäß
erfolgte dies in der Weise, daß das System Spitze-Platte über die niederspannungsseitigen
Erregerelektroden an Erde gelegt ist. Man- erhält dadurch, daß die Hochspannungsschwankungen
auf die niederspannungsseitige Erregung rückwirken, ein schwebendes Erregerpotential,
das bei einer steigenden Hochspannung sinkt und dadurch den Ladestrom und somit
wieder die Hochspannung her= absetzt und umgekehrt.
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In Fig. 2 ist eine solche Einrichtung dargestellt. Links ist der Hochspannungsgenerator
angedeutet, der z. B. aus einer Isolierstoffscheibe 1 besteht, die zwischen der
Niederspannungserregerelektrode 2a und der Hochspannungserregerelektrode 2 b rotiert.
3, 5 und 4, 6 sind Sprühkämme oder -schneiden, die zur Zuführung bzw. Abnahme der
Ladungen dienen. Die von dem' Hauptsprühkamm 4 abgenommene Ladung wird dem Verbraucher
R,; zugeführt. Über diesen Widerstand fließt dann der Verbraucherstrom I1,. An die
Hochspannungsseite sind ferner der Regelteil A und der Regelteil
B angeschlossen. Beide enthalten eine Spitze-Platte-Anordnung. Die Platte
des Regelteils A ist mit der Niederspannungserregerelektrode 2a verbunden, während
die Platte des Regelteils B über einen Widerstand R, der bedarfsweise auch zu Null
werden kann, geerdet ist.
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Der Regelteil A stellt die Einrichtung dar, welche je nach dem Abstand
Spitze-Platte aus der Kennlinie u1 in Fig. 1 die Kennlinien u2, u3, u4 usw.
entstehen läßt. Mit diesem Teil läßt sich ein Gebiet A' beregeln, welches rechts
schraffiert ist und durch u4 und u1 begrenzt wird. Mit Hilfe des zusätzlichen Regelteils
B lassen sich die übrigen Punkte der links schraffierten Fläche B' einstellen. Will
man z. B. den Arbeitspunkt C' einstellen, so entsprechen Uz, und I,; der Spannung
bzw. dem Strom des Verbrauchers. Wenn der Punkt C" durch Regelung mit dem Regelteil
A gefunden werden soll, muß der Betrag I., von dem Regelteil B übernommen
werden.
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Dadurch, daß die Regeleinrichtung A nicht unmittelbar an festes Potential,
z. B. Erde, gebunden ist oder über eine besondere Spannungsquelle an Erde liegt,
erhält man ein ideales schwebendes Erregerpotential. Dieses wirkt sich so aus, daß
sich bei einer steigenden Hochspannung durch den Spannungsabfall des Glimmstromes
an dem System Spitze-Platte eine niedrigere Erregerspannung als vorher einstellt,
während bei fallender Hochspannung und des dadurch kleineren Spannungsabfalls des
Glimmstroms an dem System Spitze-Platte die Erregerspannung steigt. Auf diese Weise
läßt sich die Hochspannung
nicht nur durch Änderung des Spitze-Platte-Abstandes
regeln, sondern auch gleichzeitig stabilisieren, wie man aus der Tendenz der ici
bis u4 Kurven der Fig. 1, ins Waagerechte überzugehen, ersehen kann.
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Eine zusätzliche Regelung und Stabilisierung der Spannung läßt sich
gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung dadurch erzielen, daß man in den Stromkreis
des Regelteils A Regelwiderstände einschaltet. In Fig. 3 ist eine solche Einrichtung
beispielsweise dargestellt. Der elektrostatische Generator entspricht dem der Fig.
2. Der an der Hochspannungselektrode H angeschlossene Regelteil A enthält in dem
Teil I einen Umschalter S1, dessen Einzelkontakte a bis e mit vier Regelwiderständen
r1 bis r4 verbunden sind, die in dem Teil II untergebracht sind. Der Widerstand
r1 liegt dabei an der Niederspannungserregerelektrode 2 a.
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Je nach dem Verhältnis des ohmschen Teils II zum nichtohmschen Teil
I der Regeleinrichtung A erhält man eine Schar von Kurven, die in Fig. 4 dargestellt
sind. Die Kurve a stellt die Abhängigkeit der Spannung vom Belastungswiderstand
R,, bei der ungeregelten Maschine dar. Die Kurven b, c, d, e usw. sind Kurven
der geregelten Maschine und zwar in der Reihenfolge kleiner werdenden Abstandes
von Spitze-Platte 7, 8 bei einer optimalen Einstellung der Widerstände r1 bis r4.
Die Kurven enden durch Entregung der Maschine. Man wird die Arbeitspunkte F zweckmäßig
in die Mitte des annähernd waagerechten Teils der Kurve legen, so daß eine Regelung
des Abstandes der Spitze-Platte nachkleineren und größeren Werten bei Belastungsschwankungen
des Verbrauchers praktisch keine Änderungen der erzeugten Spannung ergibt. Ferner
ist durch den Teil II mit Hilfe des Umschalters S, eine weitere Abstufung des Potentials
der Niederspannungserregerelektrode zur Einstellung des Arbeitspunktes möglich.
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Zur Unterstützung der Regel- und Stabilisierwirkung wird zweckmäßig
eine Spitze S und eine Platte P hochspannungsseitig zwischen dem Vorabnehmerkamm
6 und dem Hauptabnehmerkamm 4 so angebracht, daß die Umladespannung eine bestimmte
Höhe nicht überschreiten kann. Auf diese Weise werden Überschläge durch zu starke
Beladungen auf der Hochspannungsseite vermieden. Diese Spitze muß stets auf der
negativen Seite angeordnet sein.
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An Stelle der dargestellten Maschine kann auch eine andere selbsterregte
Maschine vorgesehen sein, z. B. eine Maschine mit gegenläufig rotierenden Isolierstoffplatten,
beispielsweise eine Holtz-I- oder Holtz-II-Maschine mit zusätzlichen Erregerelektroden,
oder eine Metallflächenmaschine. Für ein ordnungsgemäßes Arbeiten der Generatoren,
insbesondere bei schnellen Spannungsschwankungen ist es zweckmäßig, das aus einem
hochwertigen Isolierstoff bestehende Generatorgehäuse ringsum mit einer dünnen schwachleitenden
Schicht zu umgeben, um den Ladungen Gelegenheit zu geben, von den für die statischen
Zwecke hochwertigen Isolierstoffen abzufließen. Wollte man diese Teile von vornherein
allein aus dem schwachleitenden Material herstellen, so wäre dessen Leitfähigkeit
für die Zwecke statischer Elektrizitätserzeugung viel zu hoch.
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Die Maschinen arbeiten meist in einem Druckgefäß. Es besteht die Möglichkeit,
die Regeleinrichtung in das Druckgefäß mit einzubauen und die Maschine für eine
feste Spannungshöchstgrenze auszulegen und einzustellen Es gibt aber Verbraucher,
bei denen man genötigt ist, verschiedene Spannungsbereiche einzustellen. Hier wird
man zweckmäßig die Regeleinrichtung mit dem Verbraucher verbinden; z. B. sei hingewiesen
auf das elektrostatische Farbspritzen, wo je nach Stückgröße und Entfernung des
zu spritzenden Werkstückes, sowie auch nach der Beschaffenheit des Lackes die Spritzspannung
gewählt wird. In einem solchen Falle ist es zweckmäßig, die Regeleinrichtung zum
Einstellen der gewünschten Spannung mit dem Spritzgerät (Elektropinsel) zu verbinden.
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Mitunter wird es zweckmäßig sein, das System aus Spitze und Platte
- z. B. wegen Feuersgefahr - zu kapseln. Benutzt man dazu einen guten Isolator,
z. B. ein Plexiglasrohr, so wird der Strom über Spitze und Platte sehr gering. Das
liegt an der Aufladung des Isolators, wodurch das elektrische Feld zwischen der
Spitze und der Platte homogenisiert wird. Man muß daher für das Gehäuse der Spitze-Platte-Anordnung
einen Stoff, z. B. Hartpapierrohr, wählen, welches eine gewisse Ableitung hat, oder
aber den Leiter und den Isolator so wählen, daß auch bei Anlegen einer hohen Spannung
die Inhomogenität des elektrisches Feldes zwischen Spitze und Platte gewahrt bleibt.