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Verfahren zur selbsttätigen Regelung eines elektrischen Stromerzeugers
(Hauptmaschine) und einer von derselben Kraftmaschine angetriebenen, mit einer Sammlerbatterie
in Reihe arbeitenden Zusatzmaschine. Die Erfindung bezieht sich auf die selbsttätige
Regelung einer schwankender Belastung unterworfenen elektrischen Stromerzeugeranlage
mittels Sammlerbatterie und einer mit dieser in Reihe geschalteten Zusatzmaschine,
deren Erregung durch eine selbsttätige Regeleinrichtung gesteuert wird. Bei derartigen
Anlagen wurde bisher im allgemeinen die Zusatzmaschiie durch einen besonderen Hilfsmotor
angetrieben. Dies hat gewisse Nachteile, da die Zusatzmaschine, was in der Natur
der Sache liegt, zumeist mit niedriger Belastung und folglich mit schlechtem Wirkungsgrad
arbeitet. Dieser Nachteil wird bei den bekannten Einrichtungen noch erheblich dadurch
verstärkt, daß der Motor, der die Zusatzdynamo betreibt, mit dem gleichen schlechten
Wirkungsgrad wie diese arbeitet. Hinzu kommt noch, daß die von der Zusatzdynamo
abgegebene Leistung durch dreimalige Umsetzung erhalten wird, nämlich durch Umsetzung
von mechanischer Arbeit in elektrische durch die Hauptdynamo, von elektrischer Arbeit
in mechanische durch den Antriebsmotor und zum dritten Male von mechanischer in
elektrische durch die Zusatzdynamo. Bedenkt man, daß die Leistung des Zusatzaggregates
mindestens 1/;; der Hauptdynamoleistung beträgt, so ergibt sich ohne weiteres, welche
große Energieverschwendung bei dem zweifach schlecht ausgenutzten Zusatzaggregat
mit seiner dreifachen Energieumsetzung eintreten muß.
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,Nun ist zwar die mechanische, vorzugsweise die direkte Kupplung von
Haupt- und Zusatzdynamo an sich bekannt. Sie hat aber nicht dem gleichen Zwecke
gedient wie bei der Erfindung und hat in der Praxis keinen Eingang gefunden. Die
Erfindung greift die mechanische Kupplung wieder auf, und zwar bei einer Bemessung
der Zellenzahl der Batterie, die kleiner ist, als es die Netzspannung an sich bei
dem üblichen Zellenschalterbetrieb verlangt. Die Zellenzahl einer solchen Batterie
errechnet sich aus der Netzspannung, dividiert durch das Mittel aus den beiden bei
Ladung und Entladung auftretenden Grenzspannungen einer Zelle. Für ein 23o Voltnetz
beispielsweise beträgt die Zellenzahl 7 -
und die höchste Zusatzmaschinenspannung E E= 230 -101 - I,83= 4.5 Volt. Nach
der Erfindung wird nun die mechanisch zweckmäßig direkt gekuppelte Zusatzmaschine
durch eine selbsttätige Regelvorrichtung, die ihre Erregung beeinflußt, so gesteuert,
daß die Summe der Leistungen der Haupt- und der Zusatzmaschine und somit die Belastung
der die beiden antreibenden Kraftmaschine unabhängig von den Schwankungen der Netzbelastung
konstant bleibt, wobei die Zusatzmaschine sowohl bei Ladung als auch bei Entladung,
und zwar infolge der geringen Zellenzahl der Batterie der letzteren, als Generator
wirkt. Die Erfindung kann in der Weise weiter ausgebildet werden, daß durch eine
zweite selbsttätige Regelvorrichtung die Sammlerbatterie vor zu starker T adung
und Entladung geschützt wird. Nach der Erfindung ist ferner eine selbsttätige Schaltvorrichtung
vorgesehen, die die Entladung bzw. Ladung der Batterie bei Erreichung der kleinsten
bzw. größten Säuredichte unterbricht, wodurch Beschädigungen der Batterie vermieden
werden, da die Säuredichte ein Maß für ihren Ladezustand darstellt.
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Endlich ist neben der letztgenanntem Schaltvorrichtung und derjenigen,
die je nach der
Belastung der Hauptdynamo ein- oder ausgeschaltet
wird, eine dritte selbsttätige Vorrichtung vorgesehen, die nach Bedarf die beiden
genannten Vorrichtungen mit einem Relais in Verbindung setzt, das zur Veränderung
der Feldstärke der Zusatzdynamo dient.
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Auf der Zeichnung ist in Abb. i eine selbsttätige Gleichstromanlage
nach der Erfindung schematisch dargestellt. Abb. 2 zeigt eine für Drehstrom gedachte
Anordnung.
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Zunächst soll die in Abb. i dargestellte selbsttätige Gleichstromanlage
beschrieben werden. In Abb. i bedeuten D die Hauptdynamo, Z die Zusatzdynamo mit
Fremderregung, F einen umpolbaren Feldregler für die Zusatzmaschine, M einen Motor
zum Verstellen des Feldreglers, A ein Umschalterrelais für Rechts-und Linkslauf
des Motors M, B die Akkümulatorenbatterie, b und bi zwei Schwachstrombatterien,
C eine Kontaktvorrichtung, deren Lage von der Belastung der Haupt- und Zusatzdynamo
abhängig ist; E eine Schaltvorrichtung, die einerseits vom Batteriestrom, anderseits
von der Säuredichte in der Batterie abhängig ist und mit Hilfe eines Schwimmers
H gesteuert wird, und U einen Umschalter, der die Kontaktvorrichtungen E und C mit
dem Relais A verbindet oder von diesem abschaltet.
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Die Kontaktvorrichtung C besitzt einen Anker ei, der um eine Achse
c2 drehbar ist. Über und unter dem freien Ende des Ankers cl sind Kontakte c3 und
c4 angebracht. Eine Spule c5, die von dem Strom der Hauptdynamo durchflossen wird,
wirkt mittels eines Eisenkernes c6 entgegen einer Feder c' auf den Anker cl ein.
Ferner wird das hintere Ende des Ankers cl von einer im Stromkreis der Zusatzdynamo
Z und der Batterie B liegenden festen Spule c3 und einer mit dem Anker cl beweglichen,
an den Klemmen der Zusatzdynamo liegenden Spannungsspule cl beeinflußt. Da die Spannung
der Hauptdynamo konstant ist, so entspricht die Anziehungskraft der Spule e5 der
Leistung der Hauptdynamo. Die Spulen es und cl, die auf Grund des amperischen Gesetzes
sich in eine Ebene einzustellen suchen, ergeben ein Drehmoment, das der Leistung
der Zusatzdynamo entspricht. Es ist also das von den Spulen e5, c8 und c6 gemeinsam
ausgeübte Drehmoment proportional der Summe der Leistung der Haupt-und Zusatzdynamo.
Diese werden aber beide von einer gemeinsamen Antriebsmaschine in Umdrehung versetzt,
so daß also das von jenen Spulen ausgeübte Drehmoment auch ein Maß für die Belastung
der- Antriebsmaschine darstellt. Die Feder c' wird nun so eingestellt, daß der Anker
e1 in seine Mittellage einspielt, in der er weder den Kontakt c3 noch den Kontakt
c4 berührt, wenn die Antriebsmaschine normal belastet ist.
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Die Kontaktvorichtung E besitzt wieder einen Anker ei, der um eine
Achse e2 schwenkbar ist. Eine Feder e3 hält den Anker ei gegen einen Anschlag e4.
Über dem freien Ende des Ankers ist ein Kontakt e5 angeordnet. Das andere Ende des
Ankers wird von einer festen Spule es umschlossen, die vom Strom der Batterie B
durchflossen wird. Auf das gleiche Ende des Ankers e1 sind zwei entgegengesetzt
gewickelte Spulen e' und es aufgebracht. Letztere können vom Strom der Elemente
b1 durchflossen werden. Zum Ein- und Ausschalten dieses Stromes dient ein nach Art
eines Aräometers ausgebildeter Schwimmer H. Dieser besteht aus dem senkrechten Schwimmer
h' und einer Kugel h2, die durch einen Arm h3 mit dem Schwimmer hl fest verbunden
ist und ebenso wie dieser in der Säure einer Akkumulatorenzelle schwimmt. In die
Kugel h2 ist bis zu einer gewissen Höhe Quecksilber eingefüllt, und es sind in sie
drei Kontakte h4, 5, s eingeschmolzen, von denen der letzte hs dauernd in das Quecksilber
eintaucht, während die Kontakte h4, 5 ein Stück über der Quecksilberoberfläche endigen.
Das Kontaktpaar h5 und h6 steht in Verbindung mit der Spule e', das Kontaktpaar
h4 und hl mit der Spule es. Hebt sich bei größerer Säuredichte der Schwimmer hi,
so wird durch Kippen der Kugel h2 der Kontakt h5 in das Quecksilber eingetaucht
und die Spule e' eingeschaltet, senkt sich der Schwimmer hl bei fallender Säuredichte,
so wird der Kontakt h4 und die Spule es eingeschaltet.
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Das Relais A besitzt einen drehbaren Anker a1, der T-förmig gestaltet
ist und dessen mittlerer Arm je nach dem, ob der Anker nach rechts oder nach links
schwingt, Kontakte a2 oder a3 verbindet. Letztere bewirken, daß der Motor M im einen
oder anderen Drehsinne läuft, wodurch der Regler F für das Feld der Zusatzdynamo
verstellt und deren Feldstärke vergrößert oder verkleinert bzw. das Feld umgepolt
wird. Zwei Spulen a6 und a' mit Eisenkernen a4 und a5 dienen zum Verstellen des
Ankers a1. Sie erhalten ihren Strom von den Elementen b und werden wechselweise
von den Schaltvorrichtungen C und E ein- und ausgeschaltet.
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Endlich ist ein Umschalter U vorgesehen, der entweder die Kontaktvorrichtung
C oder die Kontaktvorrichtung E mit dem Relais A verbindet. Der Umschalter U besitzt
einen T-förmigen Anker icl, der durch ein Gewicht u2 in der Mittellage gehalten
wird. An dem wagerechten Arm des Ankers u1 greifen Eisenkerneu3 und u4 an, die von
Spulen u5 und u6 umschlossen werden. Letztere liegen in den Stromkreisen der Spulen
e' und es der Schaltvorrichtung E, der Kontakte h4, h5 und h6 des Schwimmers
H
und der Elemente b1. Durch Stangen u' und u3 sind einarmige Kontakthebel
u6 und uls und ein zweiarmiger Kontakthebel ull mit dem Anker et' verbunden, die
in Quecksilberkontakte
u1'=, 1113, 1s14 und ul'I eintauchen.
Die Hebel u`' und 1s111 mit den Kontakten u12 und u13 verbinden die Kontaktvorrichtung
C mit dem Relais A, während der Hebel ull mit den Kontakten 1s14 und u15 die Kontakte
E mit dem Relais A verbindet.
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Es soll jetzt die Wirkungsweise der in Abb. i dargestellten und vorstehend
beschriebenen Regelungseinrichtung veranschaulicht werden. Für den wirtschaftlichen
und völlig selbsttätigen Betrieb einer derartigen Anlage sind folgende Bedingungen
zu erfüllen: i. Möglichst gleichmäßige selbsttätig geregelte Belastung der Antriebsmaschine
durch Ladung und Entladung der Batterie, je nach Stromüberschuß oder Strommangel
(KontaktvorrichtungC, Relais A).
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Schutz der Batterie vor Überladung oder Unterentladung durch rechtzeitiges
Abschalten derselben (KontaktvorrichtungC, Schwimmer H, Relais A, Umschalter U).
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Alle diese Bedingungen werden durch die beschriebene Anlage erfüllt,
wie sich aus folgender Darstellung der einzelnen Vorgänge ergibt.
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Angenommen, die Hauptdynamo D wäre durch den Verbrauch im Netz nur
zum Teil belastet. Dann überwiegt bei der Kontaktvorrichtung C die Kraft der Feder
e', so daß sich der Anker cl gegen den Kontakt c4 legt. Hierdurch wird, wenn sich
bei normaler Säuredichte in der Batterie der Umschalter U in seiner Mittellage befindet,
die Spule a6 des Relais A von den Elementen b über den Kontakt -u`'
und 1s12 unter Strom gesetzt und die Kontakte a3 geschlossen. Der Motor 1'17 läuft
an und verstärkt die Spannung der Zusatzdynamo, so daß Ladestrom durch die Batterie
zu fließen beginnt. Jetzt steigt der Strom in der Spule c5 und den Spulen c11 und
c'' so lange an, bis sich der Anker cl vom Kontakt c4 löst, wodurch der Motor M
stillgesetzt wird. Von jetzt an wird sowohl das Netz gespeist wie die Batterie mit
solcher Stromstärke geladen, daß die Antriebsmaschine normal belastet ist. Steigt
nun die Belastung im Netz, so verstärkt sich der Strom in der Spule c5 und es wird
sofort der Anker cl gehoben und der Kontakt c:' eingeschaltet. Dann fließt von den
Elementen b ein Strom durch die Kontakte c:;, icl" und 11113 zur Spule a'. Das Relais
A wird nach rechts gelegt, schaltet den Motor ein und dieser verstellt den Feldregler
F, im umgekehrten Sinne wie vorhin, so lange, bis durch Verringerung der Zusatzdynamospannung
der Ladestrom der Batterie so weit gesunken ist, daß die Belastung der Antriebsmaschine
wieder normal ist. In diesem Augenblick löst sich der Anker cl vom Kontakt c3 und
kehrt in seine Mittellage, zurück.
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Das beschriebene Spiel des Ankers cl zwischen den Kontakten
e3 und c4 wiederholt sich so lange, bis die Batterie voll geladen ist. Ist
dies eingetreten, so wird der Schwimmer H wirksam, denn die Säuredichte ist jetzt
am größten. Es hebt sich also der Schwimmer hl und nimmt die Kugel h2 mit, so daß
der Kontakt las in das Quecksilber eintaucht. Sofort fließt ein Strom von den Elementen
b1 durch die Kontakte h5 und h6 zur beweglichen Spule e' auf dem Anker e1 und von
hier durch die Spule 7s5 zu den Elementen b1 zurück. Der Eisenkern u3 wird angezogen,
der Kontakt u'1 und u15 geschlossen und gleichzeitig der Kontakt v3, u12 geöffnet.
Ebenfalls gleichzeitig wird der Ankerel gehoben und der Kontakte,' geschlossen,
so daß ein Strom von den Elementen b über e1, es, u11, 1,s15 zur Spule
a' fließen kann. Der Anker a1 wird infolgedessen nach rechts gelegt und der
Ladestrom der Batterie durch Verminderung der .usatzdynamospannung so lange gesenkt,
bis der Anker e1 losläßt. Das aber ist erst dann der Fall, wenn kein Ladestrom mehr
durch die Batterie D geht. Würde nicht der Kontakt zs°, u12, wie oben angegeben,
geöffnet worden sein, so würde bei Verminderung der Dynamoleistung durch die Verringerung
des Ladestromes der Anker cl, wie zuerst beschrieben, sofort herabfallen und die
Spule a6 einschalten. Hierdurch würde die Wirkung der Spule (a' aufgehoben werden,
so daß die Verringerung des Ladestromes nicht zustande kommen könnte. Es muß also
der Umschalter U zur Verringerung des Ladestromes die Kontaktvorrichtung E ein-
und die Kontaktvorrichtung C ausschalten. Ist der Ladestrom der Batterie auf Null
gesunken, so öffnet sich der Kontakt e5 von selbst, da die Spule e7 allein den Anker
e1 nicht anheben kann. Dies kann nur geschehen, wenn gleichzeitig die Spule es vom
Strom durchflossen wird. Es ist also am Schluß der Ladung das Schaltorgan E geöffnet,
der Strom in der Spule a 7 hört auf und der Anker a1 kehrt in seine Mittellage zurück.
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Steigt die Stromentnahme im Netz, so verstärkt sich die Anziehungskraft
der Spule c5. Sobald die Belastung des Netzes der normalen Belastung der Hauptdynamo
D entspricht, kehrt der Anker cl in die Mittellage zurück. Steigt nun die Beanspruchung
des Netzes weiter, so tritt eine Überlastung der Hauptdynamo ein. Dadurch verstärkt
sich auch die Anziehungskraft der Spule c5, so daß der Anker cl gehoben wird. Jetzt
beginnt die Entladung der Batterie. Sobald nämlich am Kontakt c3 ein Stromschluß
stattfindet, werden die Elemente b eingeschaltet. Es fließt Strom von ihnen durch
die Spule rs7, die Kontakte'-isl°, u13 und über Kontakt c3. Der Anker cal schaltet
den Motor M ein und dieser läuft im gleichen Sinne wie bei der Verringerung des
Ladestromes an. Da aber vorher der Batteriestrom auf Null herunter gesunken war,
also der Regler F seine Mittellage einnahm, so wird die Zusatzdynamo umgepolt und
ergibt jetzt
eine Zusatzspannung zur Batteriespannung. Der Motor
M läuft weiter, bis die Spannung der Zusatzdynamo so weit angestiegen ist, daß die
Batterie soviel Strom in das Netz liefert, daß die Summe der Leistungen von Haupt-
und Zusatzdynamo -wieder der normalen Maschinenleistung entspricht. Ist dies der
Fall, so geht in das Netz die Leistung beider Dynamomaschinen und außerdem die Batterieleistung.
Es kann also eine erheblich die Arbeitsfähigkeit der Antriebsmaschine übersteigende
Gesamtleistung erzielt werden.
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Trotzdem jetzt die Batterie wieder Strom liefert, kann der Kontakt
e5 nicht geschlossen werden, denn es hat sich die Stromrichtung in der Spule e6,
nicht aber in der Spule e', umgekehrt. Mithin wirken beide Spulen mit der Feder
e3 auf Öffnung des Kontaktes e5: Beim Entladen der Batterie sinkt die Säuredichte
in den Akkumulatorenzellen, mithin sinkt auch der Schwimmer lal wieder tiefer ein,
so daß der Kontakt h5 aus dem Quecksilber heraustritt. Dann hört wiederum jede elektrische
Einwirkung auf den Anker e1 auf. Ebenso wird die Spule ü5 stromlos und der Anker
u1 kehrt in die Mittellage zurück.
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Sinkt die Beanspruchung des Netzes, so geht der Anker cl nach unten,
der Motor M läuft infolgedessen im umgekehrten Sinne wie beim Einschalten der Batterie
an. und setzt deren Leistung herab.
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Sinkt bei geladener Batterie die Leistung der Hauptdynamo infolge
Minderverbrauchs im Netz unter das Normalmaß, so geht der Anker cl nach unten. Das
kann aber nicht zu einer Verstellung des Feldreglers F führen, da, solange die Batterie
voll geladen ist, -die Spule 2c5 unter Strom steht und den von den Elementen über
den Kontakt c4 laufenden Stromkreis durch Öffnen des Kontaktes u9 und ula unterbricht.
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Tritt; wag allerdings sehr selten sein wird, eine vollständige Entladung
der Batterie ein, so fällt die Säuredichte in den Akkumulatorzellen so weit und
sinkt infolgedessen der Schwimmer hl so tief ein, daß jetzt der Kontakt h4 wirksam
wird. Es wird also ein Strom von den Elementen b1 durch die Spulen u6 und es eingeschaltet.
Der Anker e1 hebt sich wieder,'da sowohl in der Spule es, wie in der Spule e"3 wieder
gleiche Stromrichtung herrscht (letztere ist umgekehrt gewickelt wie die Spule e')
und schließt einen neuen Stromkreis, der von den Elementen b über die Spule al und
den Kontakt ull und zcT4 verläuft. Der Kontakt ü11, u14 war zuvor durch die Spule
u6 geschlossen worden. Es legt sich demnach der Anker a1 nach links und schaltet
den Motor M ein, bis der Entladungsstrom der Batterie auf Null gesunken ist, dann
wird wieder die Spule es stromlos und der Kontakt e5 geöffnet. Da durch die Spule
us gleichzeitig der Kontakt ul0, u13 geöffnet worden war, so kann das Fallen des
Stromes in der Spule es beim Aufhören der Batterieentladung keinen Stromschlüß im
Kreise der Spule a7 zur Folge haben, so daß auch jetzt nicht etwa durch die Vorrichtungen
C und E die Spulen a6 und a7 gegeneinander geschaltet werden können.
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Ist die Batterie völlig entladen und findet eine Überlastung der Hauptdynamo
statt, so kann dies keine Stromentnahme aus der Batterie zur Folge haben, da ja
immer noch der Kontakt ülo, 2c13 geöffnet ist. Dieser schließt sich erst wieder,
wenn ein gewisses Wiederaufladen der Batterie stattgefunden hat. Es muß also die
Hauptdynamo für diesen Fall in der üblichen Weise gegen Überlastung geschützt werden.
Jedoch wird bei richtiger Wahl aller Verhältnisse eine solche Überlastung kaum eintreten
können.
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Die Kontaktvorrichtung E und der Umschalter U können auch durch ein
Maximal- und Minimalspannungsrelais, das bei höchster Lade-und niedrigster Entladespannung
in Wirksamkeit tritt, in der gleichen Weise wie vom Schwimmer H gesteuert werden.
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Im Stromlaufschema der Abb. 2 sind die beschriebenen Regelungsvorrichtungen
angewendet auf ein Überlandkraftwerk. Diese Werke haben bekanntlich ganz besonders
unter schlechter Ausnutzung ihrer Betriebsmittel zu leiden. Die Batterie B nimmt
den durch den Transformator T herabtransformierten Drehstrom durch den Einanker-Umformer
E U und durch die auf der gleichen Welle sitzende Zusatzdynamo Z auf und
gibt ihn auf demselben Wege wieder ab. Zwischen dem Transformator T und dem Einanker-Umformer
liegt wiederum eine Kontaktvorrichtung C, und hinter dieser zweigen die Leitungen
N zum Niederspannungsnetz ab. Der Anker cl wird hier von einem- Drehstromfeld bewegt,
das durch drei in den einzelnen Phasen des Drehstromes liegenden Spulen erzeugt
wird. Im. übrigen sind die Reguliervorgänge genau die gleichen wie in Abb. i. Es
bezeichnen daher auch die gleichen Buchstaben gleiche Teile.