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Regelung elektrischer Fotoren. Die bisherige Anwendung von elektrischen
Entladungsapparaten in der Maschinentechnik gründet sich im wesentlichen auf die
gleichrichtende Wirkung derselben. Dabei handelt es sich meist um Vakuumlichtbogenapparate
und kaum oder selten um Vakuum- oder Gäsentladungsapparate mit künstlich erhitzten
Kathoden. Es ist nicht erkannt worden, daß die Anwendung neuer Eigenschaften solcher
Entladungsapparate und ihre Entwickung zu neuartigen elektronischen Leitapparaten
oder Elektronenstoßapparaten das Problem der Steuerung und Regelung elektrischer
Motoren erheblich zu vereinfachen vermag, wobei immer bestimmte Eigenschaften der
Elektronen, gänzlich ungebunden oder teilweise atomistisch in den Ionen gebunden,
eine Rolle spielen. Im Grunde wird es sich dabei um neuartige Technik der freien
oder ungebundenen Elektrizität handeln, da fast alle Eigenschaften von physikalischer
Bedeutung und alle Probleme der Elektronen und Atommechanik in Frage kommen.
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Nur anscheinend gehören hierher bereits beschriebene Vorrichtungen,
bei denen mit den gleichrichtenden Wirkungen noch gewisse Stromkompensationswirkungen
verbunden. sind. So-.wurde bei Induktionsmotoren
eine gegenseitige
Feldkompensation von. Arbeits- oder Wattströmen des Stators und Rotors trotz verschiedener
Periodenzahlen erreicht, und damit war eine Regelungsmöglichkeit durch kleine magnetische
Feldströme gegeben. Ebensowenig gehört hierher die im Zusammenhang damit gegebene
leichte Anwendbarkeit von kompensierenden Gleichstromgegenspannungen, die für das
kräftige Anlassen von einphasigen Induktionsmotoren eine Rolle spielt.
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Alle bis jetzt angegebenen Verfahren ändern an der inneren Arbeitsweise
der Leitapparate für die Elektronen und sonstigen Ionen nichts und im besonderen
bleiben Lichtbogengleichrichter immer gewöhnliche Gleichrichter; das Neuartige der
Technik liegt soweit gänzlich außerhalb dieser Apparate in den Stromkreisen und
magnetischen Verkettungen derselben.
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Im besonderen sind auch Energiezuführungen und Ströme stetig oder
die Pulstationen folgen wenigstens einem mehr oder weniger gleichbleibendem Verteilungsgesetz,
und bei Wechselstrom folgt der Strom selbst, wenn auch mit Phasenverschiebung, der
Linie der Momentanwerte der Spannungen.
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Die hier vorliegende Neuerung, die ein erstes Beschreiten des genannten
Gebietes einer Steuertechnik der Maschinen durch freie Elektrizität in Form von
Elementarquanten oder Ionen ermöglicht hat, hebt nun grundsätzlich alle Beschränkungen
für Gestaltung von Stromlinien, Stetigkeiten der Energiezuführung und die beherrschende
Rolle von Linien- und sonstigen Betriebsspannungen auf. Sie gestattet Wilkür in
allen Beziehungen zur völlig freien Bestimmung von Steuerhandlungen und Regelgesetzen
mit Berücksichtigung des Arbeitszwecks und -vorgangs der Maschine. Bedingung hierbei
ist, daß nennenswerte Energie zur Regelung nicht aufgewendet wird und der hier schließlich
sich ergebenden vollkommenen Form überhaupt nur Spannungsdifferenzen oder Potentialdifferenzen
ohne Strom entscheidend sind und mechanisch bewegte Teile im Selbstregelvorgang,
die mitunter zu heftigen Eigenschwingungen und Labilitäten führen, streng ausgeschlossen
sind.
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Verhältnismäßig am einfachsten gestaltet sich die Anwendung des genannten
Prinzips bei Strömen, die schon an und für sich gewissen zeitlichen Verlaufsbedingungen
folgen und etwa pulsierenden Charakter haben, wofür die gewöhnlichen Wechselstromlinien
das einfachste Beispiel geben.
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Die hier beschriebenen einfachsten Mittel gestatten dort schon eine
einfache unstetige Energiezufuhr durch diskontinuierliche Entladungen, wobei Richtung,
Zeit und Reihenfolge von Pulsationen durch die Regelvorgänge bestimmt werden. Auch
ist durch die einfachsten Mittel schon eine Beeinflussung von Form und Energieinhalt
der einzelnen Pulsationen erreichbar, und andere Periodizitäten als die der Netzwellen
können erreicht werden.
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Obwohl zur Erzielung der Einflüsse auf die Hauptentladungsapparate
bis zu gewissen Periodenzahlen moderne Vibrations- und ähnliche mechanische Schnellregler
ganz oder teilweise verwendet werden können und jegliche Verwendung solcher Zitterregler
mit in den Rahmen der hier vorliegenden Neuerung fällt, so wird nach obigem doch
betont, daß Formen, die solche Regler nicht enthalten und überhaupt keine beweglichen
mechanischen Teile sondern nur geschlossene Stromkreise und Pfade freier Elektrizität,
deren unmittelbare Beeinflussung höchste Empfindlichkeit ergibt, das Hauptwesen
der Neuerung trifft.
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Eigentlich liegen also schon zwei mehr oder weniger im Zusammenhang
stehende Prinzipien vor, nämlich erstens die willkürliche Gestaltung von Betriebsmomentanwerten
und -linien und zweitens die Erreichung eines solchen Zweckes durch verwandte Mittel
auf dem Gebiete freier Elektrizität ohne träge mechanische Massen. Eine Zusammenfassung
der Wirkungen in einem einheitlichen Elektronenstoßregelapparat ist daher nur ein
natürliches Endergebnis.
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Wenn auch das Gesamtverfahren, wie schon angedeutet, in erster Linie
für Wechselstrommotoren anwendbar ist, weil dort schon ein natürlicher Pulsations-
oder kurz Pulsbetrieb besteht, der also dann nur nach vorliegender Erfindung Modifikationen
erfährt, so ist es doch auch bei Gleichstrommotoren verwendbar, obwohl dort die
Pulsbewegung, soweit erforderlich, durch besondere Mittel und Anordnungen erst erzielt
werden muß. Dabei trifft es sich, daß gerade zum Betrieb von Gleichstrommotoren
häufig schon ein elektronischer Leitapparat, nämlich ein Gleichrichter, vorhanden.
ist, und häufig auch ein Zitterregler, der durchFeldeinflüsse eine wirklichkonstante
Geschwindigkeit bei niederen Umdrehungszahlen erreichen soll, wie es für Betriebe
der Textilindustrie und andere Zweckewünschenswert erscheint. Man kann also sagen,
es handelt sich dann nicht um Mehraufwand oder Ersatz von Apparaten, sondern um
neue vollkommenere Kombinationswirkungen und um einen Ersatz mechanischer Einzelwirkungen
durch einheitliche Vorgänge der Elektrotechnik.
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Zur Veranschaulichung eines einfachen Falles eines solchen Regulierbetriebes
eines Wechselstrommotors denke man sich nach
Abb. i einen Induktionsmotor
M, der von dem Netze N gespeist wird. Man denke sich, soweit als nötig, in den Energiezuleitungen
Ouecksilberdampfstrecken mit - der Anode A und der Kathode K liegend, wie bei L
gekennzeichnet, und zwar mögen j e zwei der hier vorausgesetzten Lichtbogen mit
entgegengesetzter Kathoden-Anodenrichtung parallel geschaltet sein, so daß also
der volle Strom in jedem Falle fließen würde, solange eine Dauerzündung, z. B. von
einer Hochspannungsquelle von verhältnismäßig geringer Leistung, wirkt, die es ermöglicht,
den andernfalls regelmäßig unterbrochenen Lichtbogen für eine beliebige Zeit in
Betrieb zu halten. Man denke sich nun aber einen Vibrationsschnellregler, der von
einer kleinen Tachometermaschine beeinflußt wird und auf die Zündstrecke des Bogens
einwirkt, um die Energiezufuhr zu regeln und etwa konstante Geschwindigkeit des
Motors bei 'veränderlicher Last herbeizuführen, so hat man eine Anwendung des neuen
Energieverteilungsprinzips.
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In der Abb. i ist aber sogleich ein Fall dargestellt, bei dem alle
Vibrationen mechanischer Massen ebenso wie mechanische Relais vermieden sind. Wir
haben demzufolge außer dem Hauptapparate L zwei elektronische Hilfsapparate Fund
H für die regelnden Hilfsfunktionen. Der erste (F) mag irgendeine Entladungsbahn
enthalten, die unter dem Einfluß des kleinen magnetischen Feldes D steht. Als Beispiel
ist angenommen, es möge eine leuchtende Entladung vorhanden sein, die von ionisiertem
Quecksilberdampf gebildet wird, wobei A, die Anode und K, die Kathode ist. Zur Erzielung
passender Stromverhältnisse ist angenommen, daß die Kathode künstlich erhitzt ist,
um eine Thermoemission von Elektronen zu ermöglichen und zugleich das gegebenenfalls
mit der Kathode K, elektrisch verbundene Quecksilber O in geringerem Maße zu verdampfen.
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Das magnetische Feld D wird erzeugt von einem Stromkreis, in dem Batterie
U und die vom Motor 11l angetriebene Tachometermaschine T liegen, deren elektromotorische
Kräfte gegeneinander wirken und sich bis auf einen gewissen Betrag, um den die Tachometermaschine
überwiegt, aufheben. Die zugehörige Feldstärke in D spannt die Entladungsbahn in
F mehr oder weniger an, und es ist angenommen, daß in vorliegendem Fall sich der
Widerstand mit der Anspannung vergrößert, obwohl dies je nach Art der Entladungen
und der Einwirkung auch anders sein kann. Auch kann die Entladungssäule, d. h. der
Widerstand, periodisch völlig unterbrochen werden.
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Der Hilfsapparat H, der außer der Anode AZ und der ebenfalls erhitzten
Kathode KZ eine Beeinflussungselektrode G hat, die die Form einer durchlochten Platte
oder eines feinen Siebes annehmen mag, erzeugt in an sich bekannter Weise die Spannungsverstärkung
oder Relaiswirkung, so daß eine brauchbare Empfindlichkeit entsteht und damit starke
Direktionskräfte. Es ist unerheblich., ob der Apparatehohes Vakuum_ enthält und
die Elek= "`tröde G auf die elektronische Raumladung -eiriwirk_t,°.ödeX_öb .auch
Gas oder bärnpf vor-,
°hänTeri@ ist und mit einem Einfluß auf den 'Töriisätiönszustand
gearbeitet- _ 3U1 d. ,F@Die in letzterem Falle eintretende geringe Entladungshysteresis
läßt sich unschwer beliebig klein halten. Der Stromkreis der dritten Elektrode,
der sogenannte Empfindlichkeitskreis, steht unter Einfluß des Entladungsstromes
in F durch Verkettung mit dem Widerstand W, so daß der Spannungsabfall an diesem
Widerstande W auf die Strecke zwischen KZ und G einwirkt, dadurch den Widerstand
des Gefäßes H verändert und eine Entladung zwischen B und K im Hauptlichtbogenapparat
L beliebig erlaubt oder unterbricht, wobei die Spannung der Batterie V genügend
hoch sein muß, um die Entladung wieder einzuleiten. Erlaubt man eine zusätzliche
Gaspressung in L, so kann man die letzte Entladungsspannung vermindern, aber man
trifft schließlich den Zustand an, daß eine Entladung zwischen K und B in
L keinen Zweck mehr hat, weil der Hauptbogen zwischen Kathode K und Anode
A nicht mehr verlöscht. Mit dem natürlichen Löschungsvermögen eines Pulses ist in
vorliegendem Fall aber gerechnet.
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Normalerweise gestaltet sich die Regelung so, daß z. B. eine gewisse
Einstellung bei R im Felde des Tachometers T eine konstante Geschwindigkeit durch
. den Endeinfluß auf L ergeben soll. Nimmt man an, bei plötzlicher Entlastung zeige
sich eine Tendenz der Touren zu steigen, so wird auch die E. M. K. von
T steigen, sich das Feld von D verstärken, die Entladungssäule in
F weiter angespannt werden und sich somit ein kleinerer Spannungsabfall in W ergeben.
Demzufolge wird sich der Widerstand von H entsprechend dem Relaisverhältnis der
Spannungen außerordentlich stark vergrößern und eine eigentliche Zündentladung bei
K in L kann nicht mehr zustande kommen, wenigstens so lange nicht, als die
Tourenzahl noch die gewünschte übersteigt.
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Statt des völligen Aüssetzens kann auch eine Modifikation des Pulses
erfolgen, der Zündmoment verzögert werden und bei nicht zu starken Strömen sogar
ein Einfluß des Zündstromes auf den Löschmoment stattfinden, wie die Proben ergeben.
Bei
allen diesen Vorgängen kann das Spiel der Hilfsapparate ein sehr verschiedenes sein.
Ist der Entladungspfad in F normalerweise stark angespannt, so kann leicht das völlige
Abreißen einen Vibrationsbetrieb ergeben, der ein Analogon zum Zitterregler bildet.
Andernfalls treten nur rasche, ziemlich symmetrische Eigenschwingungen auf, deren
Periodenzahl mit dem Relaisverhältnis von H wächst, und schließlich sind scharfe
schwingungslose Einstellungen möglich.
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Selbstverständlich kann man alle Einzelwirkungen gewissen Zinkehrungen
für gleiches Endergebnis unterziehen und dabei z. B. bei G mit einer negativen Potentialdifferenz
gegenüber K arbeiten, was bei absolutem Vakuum Ströme im Empfindlichkeitskreis vermeidet
und dann bequeme Toureneinstellungen bei W durch Handeinstellung des angedeuteten
verschiebbaren Kontaktes ergibt. Es ist selbstverständlich, daß ein gleiches Verfahren,
wie beschrieben, für die andere Seite von L stattfinden muß und ferner in einer
anderen Zuleitung zum Motor M, wobei eine Zusammenfassung gewisser Teile zu einem
einheitlichen Apparat möglich ist. An Stelle der Batterien können natürlich kleine
Gleichrichter verwendet werden, die am besten von hochperiodischem Wechselstrom
gespeist werden.
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Die zeitweise Ausschaltung von Pulsen mag vollkommen symmetrisch sein,
so daß die verbleibenden die Komponenten besonderer neuer Drehfelder ergeben, was
für den Wirkungsgrad Bedeutung hat.
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Sie kann auch anderen beliebigen Reihen folgen, was wesentlich von
den eingestellten Geschwindigkeiten und den Lastv eränderungen sowie einem gewissen
Vibrationszustand des ganzen Maschinensystems abhängt.
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Hier zeigt sich ein wesentlicher Unterschied gegenüber den bekannten
Lichtbogenperiodenumformern mit magnetischer Steuerung der Arbeitsstrornentladung,
die bezwecken, eine gleichmäßige Leistung auf eine gewünschte bestimmte Periodenzahl
zu bringen. Natürlich könnte aber bei vorliegendem Verfahren, falls wünschenswert,
die Löschwirkung am Ende eines Impulses durch magnetische Wirkung unterstützt werden,
und es wäre auch die Kompensation zu großer Selbstinduktion durch Kapazitätsstrecken
an_ (A aber ist nicht einmal die Trennung der Pulse verschiedener Richtung
notwendig, namentlich bei geringen Periodenzahlen, und Abb.2 gibt das Beispiel einer
Regelung im Sekundärkreis eines Induktionsmotors, wo L jetzt einfach drei Dampf
liefernde Elektroden E besitzt und die Zündung jetzt durch die Batterie V und eine
Sternpunktverbindung des Rotors mittels der Zündelektrode B herbeigeführt wird.
Hierbei sind Apparate F und H, um eine Variation zu zeigen, vertauscht. Mit Rücksicht
auf geringere Perioden nämlich kann durch eine erhöhte zusätzliche Gaspressung,
statt hohen Vakuums, die Zündspannung herabgedrückt werden, so daß der Stromkreis
von F mit der leuchtenden Entladung unmittelbar anwendbar erscheint. Das Relais
H arbeitet statt dessen auf den magnetischen Kreis D, und es steht wie früher in
Verbindung mit dem Tachometer. Weitere Vereinfachungen sind möglich. Wie gewisse
Versuche ergeben haben, ist es dabei sogar möglich, Stromhalbwellen, eines der Vorzeichen,
ganz zu unterdrücken.
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In Abb.3 ist noch die Regelung eines Gleichstrommotors, der von einer
Wechselstromquelle gespeist wird, gezeigt, und zwar ist L der Lichtbogengleichrichter,
der mit gemeinsamen Vakuum die Hilfsapparate angeschlossen enthält. Wir haben also
hier eine erste Form des erwähnten besonderen Elektronenstoßsteuerapparates für
alle Steuer- und Regelfunktionen. Die Anordnung ist ohne weiteres verständlich,
und O, 0 sind nicht unbedingt notwendige Ouecksilberverdampfungsstellen zur Erzielung
einer gleichinäßigen Atmosphäre. Natürlich sollte dann auch die Hauptkathode stets
aus Quecksilber bestehen.
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Anstatt konstanter Geschwindigkeiten kann man auch solche erzwingen,
die in bestimmter Weise von den Lasten abhängen, da am Zwischenrelais ünd Tachometerfelde
solche Einflüsse zur Geltung gebracht werden können.
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So kann die wichtige Seriencharakteristik erreicht werden.
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Es ist z. B. bei Wechselstrommotoren auch möglich, den Strom wechselnd
verschiedenen Anschlüssen des Stators zuzuführen, was bei Einphasenmotoren mit unsvminetrischer
Rotorwicklung oder Gleichstrompölrotoren den Anlauf ermöglicht.
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-Für den Betrieb von Gleichstrommotoren von Gleichstromnetzen kann
eine sehr verschiedenartige künstliche Löschung des Bogens erfolgen, z. B. durch
ebenfalls unter der Relaiswirkung stehende magnetische Felder heliebig scharf oder
unvollständig bewerkstelligt werden.
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Zur Veranschaulichung denke man sich auf die Lichtbogensäule eines
einfachen Lichtbogenentladungsapparates, der also jetzt kein Gleichrichter ist und
im Hauptkreis des Motors lediglich Regelfunktionen übernimmt, ein Magnetsystem einwirkend,
wie es in Abb. 2 zur Regelung der Entladungssäule in F vorgesehen ist, und es kann
dann die Bogenlöschung wie die Zündung durch Tachometermaschinen T und Relais
H, wenn auch in verschiedenen
Graden der Empfindlichkeit,
geregelt werden, soweit nicht ein mehr oder weniger stetig werdender Regelbetrieb
mit schließlich verschwindenden Pulswirkungen entsteht.
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Die Löschungseinwirkung beim Hauptbogen zeigt entsprechend in einfachster
Form die Abb. q.. Dort ist dargestellt, wie der den Lichtbogenapparat L passierende
Hauptstrom des Motors M in der Bogenentladung zwischen K und A beeinflußt wird durch
das Feld des Magneten P, dessen Wicklung gespeist ; wird vom Hauptstrom des Relais
H, das in seinem Empfindlichkeitskreis wieder unter Einfluß einer Tachometermaschine
T steht. Steigen nun die Touren des Motors ein wenig, so erhöht sich auch die Gitterspannung
des Relais H ein wenig, und es steigt der Hauptstrom des Relais außerordentlich
stark, 'so daß ein Ausbiegen und schließlich ein Abbrechen des Lichtbogens in L
erfolgt, und letzteres kann, soweit erwünscht, dadurch begünstigt werden, daß man
die Eigenschwingungen des Systems in an sich bekannter Weise verstärkt. Die Wiederzündung
des Bogens erfolgt dann im gegebenen Moment durch die Zündelektrode B, indem auf
diese ein obenbeschriebenes System aus Tachometermaschine T sowie zugehörigen Entladungsapparaten
H und F einwirkt.
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Es kann aber natürlich ebenso-wohl j e eine ganze Kaskade mit H und
F verwendet werden, um auf den Magneten im Hauptentladungsgefäß abbrechend oder
ablenkend einzuwirken, und schließlich kann statt eines Doppelsystems für Zündung
und Löschung ein vereinigtes System angewendet werden, wie es in Abb. 5 dargestellt
ist. Der Ankerstrom passiert dort, von der Linie N ausgehend, den Lichtbogenapparat
L mit der Kathode K und einer jetzt einfachen oder nur einfach unterteilten Anode
A sowie der Zündanode B, und auf den Lichtbogen wirkt abbrechend oder
ablenkend der Elektromagnet .P mit der Wicklung Y, die an einer besonderen Stromquelle
liegen möge. Auf den Elektromagneten wirkt aber noch eine zweite Wicklung S in entgegengesetztem
Sinne, die hier den Strom-von der Zündstromleitung in einfacher Abzweigung bekommt.
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Fällt nun z. B. die Tourenzahl des Motors M ein wenig, so wird nicht
nur die von F gelieferte Spannung schließlich zur Zündung des Bogens in L an sich
ausreichend, sondern ein genügend starker Strom in S hebt auch die Feldwirkung des
Magneten P so weit auf, daß Zündung wirklich erfolgen kann. Indessen ist man nun
beim Hauptstrom mehr als bei den kleinen Regelströmen daran interessiert, daß ein
Bogenlöschen, d. h. ein völliges Unterbrechen, auch wirklich erfolgt, so daß durch
ciie ablenkenden Wirkungen nur kleinsten Regelbereichen Genüge geleistet wird, was
reine Widerstandswirkungen in L selbst einschränkt. Man verläßt sich also nicht
darauf, daß beim Höhergehen der Touren infolge Überwiegens der Wirkung von Y der
Bogen schließlich seine Stabilitätsgrenze überschreitet, und auch nicht darauf,
daß dies durch den natürlichen Schwingungszustand des ganzen Maschinensystems, der
beim Vorhandensein eines Lichtbogens im Hauptkreis und dadurch verzehrter Dämpfung
sich eher geltend macht, begünstigt wird, sondern trifft etwa wie in der Abbildung
noch Vorsorge, daß auch Lösch- und Zündsystem miteinander schön an sich oszillatorische
Tendenzen ergeben. Zu solchem Zwecke braucht nur der Widerstand R im Zündkreis passend
eingestellt zu werden. Ist er klein genug, so verschwindet bei Zündung des Hauptbetriebsbogens
praktisch der größte Teil des Spannungsabfalls im Zündkreis und damit ebenso auch
der Strom in S. Es wird also im Moment der Zündung schon eine heftige Wirkung des
Magneten P bemerkbar, die mit dem Ansteigen der Touren nichts zu tun hat und eben
nur einen kleinen Impuls des Stromes erlaubt. Nach dem Löschen des Bogens aber wiederholt
sich das Spiel. Bei R aber kann natürlich der dauernde Pulsbetrieb einer gewissen
Regelung unterzogen werden.
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Man kann aber auch für den Regelbereich Wechselstromzusatzspannungen
verwenden in Verbindung mit Gleichrichtern, deren Betrieb und Regelung sich wie
oben vollzieht.
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Eine zu starke Erhitzung der Leiter infolge vereinzelter starker Betriebspulse
ist zwar selbst bei sehr niedrigen Touren der Motoren nicht leicht zu befürchten;
es kann aber ein fester Zusatzwiderstand diese Gefahr gänzlich beseitigen.
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Bei solchen Gleich- und Wechselstrommotoren, bei welchen die Geschwindigkeitssteuerung
normalerweise durch Feldmagnetisierungsströme geschieht, kann das beschriebene Verfahren
natürlich sowohl für den Hauptarbeitskreis, also für den Ankerkreis, wie auch für
den Feldkreis benutzt werden, wodurch sich die Anwendung von Rggelungswiderständen
jeglicher Art erübrigt. Bei Gleichstrommotoren, wo die Zitterregler zur Konstanthaltung
von Geschwindigkeiten im Erregerkreise verwendet werden, kann man das neue Gesamtverfahren
ergänzend für eine genaue Einhaltung sehr niedriger Touren heranziehen.
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Bei Induktionsmotoren, die durch Gleichrichterverbindung zwischen
den primären und sekundären Kreisen in bezug auf die Wattströme kompensiert sind
und gleichfalls eine Geschwindigkeitsregelung durch den Magnetisierungsstrom erlauben,
wird der natürlichen
Pulsation wegen das neue Gesamtverfahren im
allgemeinen auch für den Magnetisierungsstrom vorzuziehen sein.
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Zu starke Stromimpulse können in jedem Falle auch durch Strombegrenzer
vermieden werden, die selbst wieder elektronische Apparate sein können, und es ist
von Vorteil, daß gewisse Typen von Gleichrichtern, z. B. die Vakuumgleichrichter,
mit erhitzten Kathoden gegebenenfalls in mehrfacher Parallelschaltung ohne weiteres
auch als Begrenzer arbeiten. So ergeben sich weitere Vorteile und einheitliche Förderungen
des ganzen Systems.