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Anordnung zur Reglung der Spannung einer besonders zur Fahrzeugbeleuchtung
dienenden Dynamomaschine veränderlicher Geschwindigkeit und Belastung. Die Erfindung
betrifft eine Vorrichtung zum Regeln der Spannung von Dynamomaschinen, besonders
solchen, die zur elektrischen Beleuchtung von Eisenbahnwagen und Motorwagen dienen.
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Die bisher in den verschiedenen Beleuchtungsanlagen verwendeten Regler
nehmen im allgemeinen viel Platz ein, sind kompliziert und empfindlich und kommen
leicht in Unordnung. Man hat daher bereits, um die Spannung der Dynamos in bestimmten,
mehr oder weniger engen Grenzen zu halten, Widerstände mit veränderlichen Temperaturkoeffizienten
vorgeschlagen, die auf mindestens zwei Erregerspulen wirken oder auch nur auf eine
einzige Spule wirken, jedoch unter Benutzung einer Brücke mit vier Widerstandszweigen
oder aber einer Brücke mit zwei Widerstandszweigen, wobei die beiden anderen Zweige
von zwei Teilen der parallel zur Dynamo liegenden Sammlerbatterie gebildet werden.
In letzterem Falle muß man aber einen Hilfsmagnetausschalter verwenden, um zu verhüten,
daB sich die Batterie während der Abstellperioden der Dynamo in den Erregerstromkreis
entladet. Man hat auch die Anordnung einer Hilfsbürste auf der Dynamo empfohlen,
allein ohne Widerstände mit veränderlichen Temperaturkoeffizienten.
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Versuche haben bewiesen, daB es möglich ist, den Lampenregler in bestimmten
Anlagen mit beschränkter Spannung fortzulassen, bei denen infolge eines einzelnen
besonderen Feldreglers die Dynamo eine Spannung von 2,3 Volt oder 2,4 Volt pro Zelle
der Akkumulatorbatterie nicht überschreitet, wenn das
Licht eingeschaltet
ist. Hierbei erreicht die Dynamo eine Spannung von ungefähr 2,5 bis 2,6 Volt pro
Zelle, wenn die Beleuchtung nicht im Gebrauch ist.
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In der Reglungsvorrichtung gemäß der Erfindung wird eine Hilfsbürste
auf der Dynamo « ie auch eine nur zwei Widerstandszweige besitzende Brücke, deren
andere beiden Zweige vom Anker selbst gebildet werden, verwendet. Diese Vorrichtung
gibt der Beleuchtungsanlage des Wagens die Charakteristiken der erwähnten Einrichtungen
mit beschränkter Spannung, ohne daß man dabei irgendeinen anderen Regler oder mechanischen
oder elektromagnetischen Unterbrecher im Erregungsstromkreise oder im Lampenstromkreise
zu verwenden braucht. Hierbei kann der Regelungsstrom, der durch Verwendung eines
Nernst-Widerstandes, d. h. eines Widerstandes von =ehr hohem positiven Temperaturkoeffizienten,
erhalten wird, in Verbindung mit einer unmittelbar auf dem Stromwender oder auf
einem mit einem Punkt der Ankerwicklung verbundenen Ring schleifenden Hilfsbürste
erhalten wird, auf die Feldmagnete der Dynamo entweder unmittelbar oder mittels
einer besonderen Erregerdynamo einwirken.
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Diese Erregerdynamo, die in das Generatorgestell eingebaut werden
kann und deren Anker auf derselben Welle wie der des Generators sitzt, bedarf nur
eines sehr schwachen Regelstromes. Hierbei entsteht der weitere Vorteil, daß die
Bürsten eine feste Lage einnehmen können, wie auch die Drehrichtung der Maschine
sei.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung veränschaulicht,
und zwar ist Abb. i eine Ansicht einer Dynamomaschine mit ihrer Erregermaschine
gemäß der Erfindung.
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Abb. 2 ist ein Diagramm, welches das der Erfindung zugrunde liegende
Prinzip veranschaulicht.
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Abb. 3 veranschaulicht schematisch eine Anlage gemäß der Erfindung,
und die Abb. 4 und 5 zeigen Abänderungen.
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In Abb. i bezeichnet i die Feldmagnete und?, den Anker des
zu regelnden Generators; 3 sind die Feldmagnete und 4 der Anker des Erregers. Die
Abmessungen mit Bezug auf den von der Maschine eingenommenen Raum sind praktisch
dieselben wie diejenigen bei Dynamos mit einem unabhängigen Regler von ungefähr
derselben Kraftleistung.
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Wie aus Abb. 2 hervorgeht, ist der primäre oder Erregerstromkreis
der Dynamo 5 entweder unmittelbar oder mittels eines Erregers dem Potentialunterschied
zwischen den Punkten C und D unterworfen. Der Punkt C gehört einer Hilfsbürste an,
die auf dem Stromwender oder auf einem mit einem Punkte der Ankerwicklung der Hauptmaschine
verbundenen Ringe (Sengelschaltung) schleift. Der Punkt D ist die Verbindungsstelle
eines gewöhnlichen Ohm'schen Widerstandes R1 und eines Nernst-Widerstandes R2, die
zueinander in Reihe geschaltet sind und zusammen parallel zu den Klemmen
A und B der Dynamo liegen. Der Zweck des Nernst-Widerstandes besteht
darin, den Strom in dem Hilfsstromkreis A-D-B und demzufolge die Spannung zwischen
A und D praktisch konstant zu halten, wenn die Spannung an den Klemmen
A, B der Dynamo sich ändert, z. B. von 23 auf 32 Volt steigt.
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Bei der Sengelschaltung entsteht infolge der Selbstinduktion des Erregerkreises
ein schwacher Wellenstrom, dessen Mittelwert so liegen kann, daß das resultierende
mittlere Feld an den Klemmen der Dynamo einen praktisch ununterbrochenen Spannungsunterschied
von passendem Werte erzeugt, um eine Akkumulatorbatterie laden zu können.
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Der Feldmagnetstromkreis ist so bemessen, daß ein sehr kleiner Potentialunterschied
zwischen den Punkten C und D (beispielsweise 0,5 Volt) den notwendigen Erregerstrom
für die Dynamo im belastungslosen Zustande und bei geringer Geschwindigkeit (beispielsweise
25 km pro Stunde) erzeugt, um eine Spannung zu erzielen, die derjenigen nahe liegt,
die während der Fahrt mit Beleuchtung nicht überschritten werden soll (z. B. 28
Volt).
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In einem Falle würde nach den vorstehenden Angaben die Spannung zwischen
den verschiedenen Punkten des Diagramms in Abb. 2, insonderheit zwischen C und D
sich, wie in der folgenden Tabelle angegeben ist, ver- 1 ändern, wenn die Klemmenspannung
der Dynamo von 24 Volt auf 29 Volt steigt, ohne Rücksicht auf die Ankerrückwirkung
wie auf den Spannungsabfall in den Leitern und die Leistung im Stromkreise C-D,
die man in i bezug auf die durch die Widerstände R1 und R2 fließenden Ströme hinreichend
niedrig halten kann.
| D-B C-D |
| A-ß A- C Nernst- Regel- |
| Dynamo (.'-B Wider- A-D Strom- |
| stand kreis |
| Volt Volt Volt Volt Volt |
| 24 12,0 9.5 14,5 2,5 |
| 28 14,0 13,5 14,5 0,5 |
| 29 14,5 14,5 14,5 0,0 |
Wenn man von einer Spannung von 28 Volt an den Klemmen der Dynamo ausgeht, so
ist
zu erkennen, daß einer Verminderung dieser Spannung eine verhältnismäßig beträchtliche
Zunahme der _ Spannung an den Klemmen des regelnden oder Feldstromkreises entspricht.
Umgekehrt wird einer wenn auch nur kleinen Erhöhung der Spannung an den Klemmen
der Dynamo eine noch beträchtlichere Verminderung der Spannung an den Klemmen des
Regelstromkreises entsprechen, die demzufolge die Spannung in dem erstgenannten
Stromkreis auf ihren Anfangswert zurückführt. Letzterer kann niemals den Wert von
29 Volt erreichen, welches auch die Geschwindigkeit der Dynamo sein mag, da alsdann
die Erregung gleich Null werden würde (abgesehen von dem remanenten Magnetismus
in den Feldmagneten).
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Wenn der remanente Feldmagnetismus der Feldmagnete des Erregers und
der Dynamo äußerstenfalls selbst ausreicht, um eine genügende Erregung für den Leerlauf
bei einer gewissen Geschwindigkeit zu erzeugen, so wird der Strom alsdann in den
Feldmagneten des Erregers seine eigene Umkehrung bewirken, wenn diese Geschwindigkeit
überschritten wird.
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Es ist zu beachten, daB die erwähnten: Ergebnisse unabhängig von der
Ursache sind, die die Änderungen der Spannung an den Klemmen der Dynamo herbeiführen
kann (Änderungen der Geschwindigkeit oder Änderungen der Ankerrückwirkung bei verschiedenen
Stromleitungen). Immerhin wird man bei der Konstruktion einer Maschine diese Ankerrückwirkung
genau zu berücksichtigen haben, um ihr einen solchen Wert_ zu geben, daß sie selbsttätig
die Stärke ds Stromes begrenzt, der vorn der Dynamo nach einer fortgesetzten Batterieentladung
geliefert wird. Dieses Erfordernis -einer genügend großen Ankerrückwirkung stimmt
übrigens sehr gut mit der Notwendigkeit zusammen, die Erregung so niedrig als möglich
zu halten, um die Regelung zu erleichtern und gleichzeitig die Größe der Maschine
und den Aufwand- an Energie nach Möglichkeit klein zu halten.
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Wenn anderseits die Ankerrückwirkung zu stark würde, kann man sie
leicht dadurch schwächen, daB man die Feldmagnete kompoundiert, und zwar in gewöhnlicher
Weise mittels einer .Spule, die von dem von der Dynamo gelieferten Gesamtstrom durchflossen
wird.
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Um die Spannung der Dynamo zwecks Aufladung- der parallel zu ihr liegenden
Batterie während derjenigen Zeit zu vergrößern, während welcher der Wagen oder'
der Zug ohne Beleuchtung läuft, genügt es, mittels- des üblichen -Lichtschalters
einen Nernst-Widerstand y2 von geeignetem Wert parallel zu dem Widerstand R2 zu
schalten. -Wenn beispielsweise der Widerstand R2 die konstante Leistung auf
2,5 Ampere zwischen gewissen Spannungsgrenzen (6 bis 18 Volt) regelt, dann
wird y2 ein Widerstand für o,25 Ampere zwischen denselben Spannungsgrenzen. Die
Spannungzwischen den PunktenA und D steigt dann, wenn man vom Gang mit Beleuchtung
zum Gang ohne Beleuchtung übergeht, in denselben Verhältnissen wie der durch den
Widerstand R1 fließende Strom,
Der Spannungsunterschied zwischen C und D würde somit um denselben Betrag (t,g)
erhöht werden, wenn - der Potentialunterschied an den Klemmen der Dynamo und daher
der zwischen A und C (der die Hälfte des vorhergehenden ist) sich nicht ändern würde.
Jede Zunahme in der Spannung zwischen C und D vergrößert aber den Erregerstrom-
und hat die fast unmittelbare Wirkung zur Folge, daB die Spannung an den Dynamoklemmen
wächst und -demzufolge der A und C. Wenn die Erhöhung dieses Potentialunterschiedes
r,5 Volt erreichen würde, was durch eine Zunahme in der Spannung von X 2 = 3 Volt
an den Dynamoklemmen bewirkt werden würde, so würde der Potentialunterschied zwischen
C und D und demzufolge der Erregerstrom wiederum gleich demjenigen werden, der vorher
vorhanden war. Da aber eine kleine Erhöhung in der Dynamospannung bei gleicher Geschwindigkeit
nur unter entsprechender Erhöhung der Erregung eintreten kann, so. wird diese Zunahme
in der Spannung nicht vollständig .die obenerwähnten 3 Volt erreichen,- d. h. das
Zweifache der Änderung -der Spannung den Klemmen des Widerstandes R1.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die die Erhöhung
der den Klemmen der Dynamo während des Betriebes ohne Beleuchtung gestattet,- ist
es möglich, während der Beleuchtung einen Teil y des angemessen geregelten Widerstandes
Ri (Abb. q. und g) kurzzuschließen. und diesen Widerstand während der .Perioden
der vollen Lichtabstellung wieder einzuschalten. dazu kann man einen Schalter I
verwenden; der aus zwei gegeneinander isolierten, rechtwinklig liegenden, Armen
besteht. Der Vorteil dieser Einrichtung liegt -daB der Nernst-Widerstand v2 durch
einen gewöhnlichen, kräftigeren Widerstand (Teil von R1) ersetzt werden kann.
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In' dem erwähnten Beispiele sind die A-C und C-B. der beiden Ankerteile
als gleich angenommen worden, aber in -dem Falle,. wo eine auf dem Stromwender und
'nickt auf° einem besonderen, mit der Ankerwicklung ver-" bundenen Ring schleifende
Hilfsbürste benutzt
wird, können diese Spannungen auch verschieden
sein.
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In Abb. a bezeichnet I den Lichtschalter,
f Sicherungen und L die Lampen. Abb. 3 veranschaulicht die Anwendung
des erläuterten Regelungssystems auf einen Generator mit besonderer Erregermaschine
5b.
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Der Bruch oder das Schmelzen des Drahtes des Widerstandes R2 während
der Fahrt wird eine Umkehrung des Stromes in dem Regelstromkreis herbeiführen, den
Ein- und Ausschalter in Tätigkeit setzen und eine Unterbrechung des Erregerkreises
bewirken. Dieser Widerstand tritt an Stelle einer Bleisicherung für den Hilfsstromkreis
A-D-B.
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Mittels eines selbsttätigen Schalters P (Abb. 3) ist es leicht, stets
einen Ersatzwiderstand R5, der dem normalen Widerstande R2 gleichgeartet ist, einzuschalten.
Dieser Hilfswiderstand wird selbsttätig in den Stromkreis eingeschaltet, wenn ein
Draht des Widerstandes R2 brechen sollte. Der diesem Zweck dienende Schalter wird
von einer kleinen Feder, dem Strom des Widerstandes R2 und der Klemmenspannung der
Dynamo beeinflußt. Gewöhnlich würden die vereinigten Wirkungen der Feder und der
ersten Spule beständig die Wirkung der anderen Spule aufheben und den Durchgang
des Stromes durch den Widerstand R2 sichern. Bei einem Bruch des Widerstandes R2
aber würde die Spannungsspule den gegenüberliegenden Kontakt herstellen, so daß
der Durchgang eines Stromes von derselben Stärke wie der, der vorher durch den Widerstand
R 2 floß, gesichert ist. Eine kleine Auslösevorrichtung, die ein sichtbares Signal
betätigt und die durch die Bewegung des Schalters gesteuert wird, dient dazu, die
Aufmerksamkeit des Fahrers oder Wagenführers darauf zu richten, daß der Widerstand
R2 erneuert werden muß.
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In der erläuterten Weise kann eine Dynamomaschine entweder unmittelbar
durch Einwirkung auf ihren Erregerkreis oder mittelbar durch Einwirkung auf ihre
Erregermaschine geregelt werden. Der letztgenannte Fall ist im besonderen für eine
Zugbeleuchtung geeignet, wo die durch die Dynamo zu entwickelnde Kraft ziemlich
beträchtlich ist und die Änderungen in der Fahrtrichtung andauern.
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Die Abb. i und 3 veranschaulichen eine Ansicht einer Dynamomaschine
und ein Diagramm einer Einrichtung, die sich auf eine solche Ausführungsform bezieht.
Der andere Fall (ohne Erreger) ist einfacher und kann für die Beleuchtung von Motorwagen
verwendet werden, wo die für die Dynamo erforderliche Kraft und demzufolge der Erregerstrom
schwach ist und nur eine Fahrtrichtung in Frage kommt. In diesem Fall braucht man
keinen Hilfswiderstand oder selbsttätigen Schalter zu verwenden, da die Einrichtung
beständig unter der Aufsicht des Führers steht und der normale Widerstand bei einer
etwaigen Beschädigung sofort ersetzt werden kann.
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Schließlich kann diese Einrichtung für die Beleuchtung von Zügen durch
eine Rosenberg-Dynamo verwendet werden, die gleichfalls den Vorzug einer festen
Stellung der Bürsten besitzt, welches auch die Fahrtrichtung sein mag, und ferner
eine verhältnismäßig kleine Erregung erfordert.
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DieVerwendung eines Nernst-Widerstandes R2 mit Eisendraht, der einen
hohen Temperaturkoeffizienten besitzt, ist angezeigt, da er der einzige Widerstand
mit einem sehr hohen positiven Temperaturkoeffizienten ist, der für die vorliegenden
Zwecke am brauchbarsten ist. Es könnte natürlich auch jeder andere Widerstand mit
einem positiven Temperaturkoeffizienten verwendet werden, wenn er den durch ihn
fließenden Strom in gewissen Grenzen praktisch konstant hält, welches auch die Klemmenspannung
sein mag. Ferner läßt sich ein Widerstand mit einem niedrigeren Temperaturkoeffizienten
gleichfalls benutzen, jedoch kann dieser nur zur Reglung der Spannung innerhalb
weiterer Grenzen dienen. Metalle, wie Tantal, Wolfram u. a., die für Metallfäden
von Glühlampen verwendet werden, kommen hierbei in Frage.
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Es ist auch möglich, dieses Ergebnis durch Verwendung eines Hilfsstromkreises
zu erzielen, der einen gewöhnlichen Widerstand mit einem niedrigen positiven Temperaturkoeffizienten,
der bei R3 (Abb. 5) angeordnet wird, und einen besonderen Widerstand mit einem sehr
hohen negativen Temperaturkoeffizienten, der bei R4 angeordnet wird, aufweist.
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Der Temperaturkoeffizient dieses letztgenannten Widerstandes R4 muß
zu diesem Zweck so beschaffen sein, daß der Spannungsunterschied an seinen Klemmen
praktisch konstant bleibt, welches auch die innerhalb gewisser Grenzen liegenden
Änderungen des durch ihn hindurchfließenden Stromes sein mögen.
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Die Arbeitsweise einer derartigen Beleuchtungsanlage ist dieselbe
wie die der bereits beschriebenen.
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Die folgende Tabelle zeigt die Spannungen des Regelstromkreises unter
veränderlichen Arbeitsbedingungen. Es ist zu beachten, daß in dem gewählten Beispiel
die Hilfsbürste C die Spannung an den Klemmen der Dynamo in zwei gleiche Teile teilt,
und daß der Potentialunterschied A, D als konstant angenommen ist, welches auch
der Strom sein 121 mag, der durch den Widerstand R4 mit negativem Temperaturkoefizienten
fließt.
| A-C D-B A-D |
| A-B C -B Widerstand von Widerstand C-D |
| Dynamo Halbe Spannung einem von einem sehr Regelnder Feld- |
| an den Dynamo- hohen negativen magnetstromkreis |
| klemmen Koeffizienten - o Koeffizienten |
| Volt Volt Volt Volt Volt |
| 24 I2,0 9,5 I45 2,5 |
| 28 I4,0 I3,5 I4,5 0,5 |
| 29 I4,5 1:4,5 I4,5 0,0 |
Der Hilfsstromkreis eines Widerstandes mit hohem, positivem Temperaturkoeffizienten
bei R3 kann schließlich mit einem Widerstand R4 von negativen Temperaturkoeffizienten
kombiniert werden, wodurch die Zuleitung eines verhältnismäßig beträchtlichen Stromes
in dem Regelstromkreis gesichert wird. Bei Verwendung desselben Stromes in dem Regelstromkreis
wird in allen Fällen bei der zuletzt erwähnten Kombination eine größere Empfindlichkeit
in der Reglung der Dynamospannung erzielt als durch Benutzung des Nernst-Widerstandes
allein.
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Der Widerstand mit positiven oder negativen Temperaturkoeffizienten
kann einfach ausgebildet sein oder aber aus mehreren parallel geschalteten Teilen
bestehen.
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Das Hauptmerkmal der Erfindung besteht darin, daß für die Bildung
zweier Zweige der zur Reglung erforderlichenWheatstoneschen Brücke die Dynamomaschine
selbst benutzt wird, anstatt, daß ein Satz von zwei Widerständen oder eine zur Dynamo
parallel geschaltete Akkumulatorenbatterie hierzu herangezogen wird.
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Da die Stromänderungen im Erregerkreise stetig verlaufen, so erfolgen
auch die Spannungsänderungen an den Klemmen der Dynamo und der Batterie sowie an
den Lampenklemmen allmählich.
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In Beleuchtungsanlagen mit Rosenberg-Dynamo braucht man keine Hilfsbürste,
da diese hier durch eine der Kurzschlußbürsten ersetzt werden kann. Bei Anordnung
einer Kompensationswicklung auf den Hauptpolen kann eine solche Dynamo als Stromerzeuger
mit praktisch konstanter Spannung arbeiten, ohne eine Akkumulatorenbatterie zu benötigen.