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Elektronenstoß-Regel- und Steuerwerke. Die Einführung der technischen
Elektronik in die Regel- und Steuertechnik der Maschinen bietet, wie in anderen
Patentschriften dargelegt, große Vorteile. Wichtig ist dabei, daß die durch elektrische
Entladungsapparate erzeugten raschen und kräftigen Einstellungen und Beeinflussungen
sich möglichst ohne sonstige Hilfsorgane, vor allem ohne elektromagnetische Sonderapparate
mit ihren im besten Falle stets verbleibenden
Trägheiten. F unkenbildungen
und sonstigen Nachteilen ummittelbar auswirken.
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Wie in der Patentschrift 3672a4 des näheren ausgeführt wurde, hat
man dabei bei elektrischen Maschinen die Gestaltung der wirksamen Strom- und Spannungslinien
vollständig in der Hand, derart, daß man auch die Momentanwerte beliebig zu beherrschen
vermag, daß man also z. B. natürliche Pulsationen beliebig innerhalb der einzelnen
Impulse selbst gleichmäßig oder ungleichmäßig verändern und unerwünschte Einzelimpulse
nach Reihen löschen, Drehfeldern eine andere Geschwindigkeit verleihen und neue
Impulse. systematisch oder in freier Einstellung durch Selbstregelung hervorrufen
kann. Die Entladungsarten können dabei je nach den Strornleistungs- und Genauigkeitsansprüchen
ganz verschiedener Art sein, und häufig sind dabei Kombinationen von solchen Apparaten,
Kaskaden usw. vorteilhaft, um diesen Ansprüchen am besten im Zusammenhang Rechnung
zu tragen. In der Patentschrift 367964 wurde ferner besonders darauf hingewiesen,
welchen Wert die technische Elektronil: für die Ausbildung von Schnellregeleinrichtunge-r
für elektrische Maschinen-und sonstige Hilfsfelder derselben hat, wobei namentlich
bei den Dreielektroden-Dunkelentladungsapparaten Genauigkeits- oder Empfindlichkeitsgrenzen
schlechterdings nicht zu erkennen sind.
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Manchmal sind nun derartige Genauigkeiten nicht in solch höchstem
Grade erforderlich. Für diese Fälle soll nach der Erfindung ein anderes Mittel für
die Regelung und Steuerung verwendet werden, und zwar soll die Ausbildung der Therrnofunktion
hierfür gewählt werden. Es wird also ein variabler Grad der Erhitzung von Elektroden
benutzt, um die gewünschten Wirkungen zu erzielen. Die Anwendung dieser Funktion
ist dabei aber nicht auf die Hauptelektroden beschränkt, sondern sie kann unter
Umständen auch mit Vorteil bei Hilfselektroden platzgreifen, und manchmal kommt
sogar zweckmäßig die Anordnung von besonderen Thermohilfselektroden zur Steuerung
der eigentlichen Hauptelektroden, sei es zur Einleitung oder Erleichterung der Thermofunktion
daselbst oder aus anderen Gründen in Betracht.
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Die Therrno- oder Kombinationselektroden übernehmen dann folgerichtig
alle wesentlichen Regelsteuerschalt- und Verstärkungsfunktionen und lösen gegebenenfalls
auch die nötigen Gleichrichterwirkungen aus. Das Prinzip ist anwendbar sowohl für
reine Elektronenentladungsapparate als auch für Glimmlicht- und Lichtbogenhaupt-
und Hilfsapparate. Jedoch bestehen wesentliche Untrrschiede in bezug auf die Art
der Wirkung, und zwar gestaltet sich die Anwendung der entsprechend ausgerüsteten
Lichtbogenapparate besonders vorteilhaft für den Regel-und Steuerbetrieb von Wechselstrommotoren
sowie von Gleichstrommotoren mit Speisung von Wechselstromnetzen. Falls es sich
um unterstützende Hilfsapparate handelt, kann es bisweilen daher vorteilhaft sein,
einen steuernden kleinen Wechselstrom zu benutzen, wodurch sich dann namentlich
die bekannten Vervielfacher oder Verstärker mit netzförrnigen Treib- und Hemmhilfsanoden
bzw. Kathoden oder Elektroden entbehrlich machen lassen und höhere Strombereiche
leichter erschließbar sind.
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Die Anwendung des Prinzips für Hauptelektroden eines Lichtbogenapparates
L zeigt Abb. r, wobei KK Steuerkathoden und AA die zugehörigen Anoden sind.
Der Apparat, der zugleich ein Gleichrichter ist, dient zur Steuerung und Regelung
eines Gleichstrommotors h T, der vom Wechselstromnetz N gespeist wird und eine Tachometermaschine
T angekuppelt besitzt. Die Tachometermaschine und die damit verbundene kleine Batterie
B wirken unmittelbar auf die Kathoden K des Lichtbogenapparates ein und erhitzen
diese mehr oder weniger, wie auf der oberen Seite des Lichtbogenapparates ausführlicher
dargestellt ist. Eine bestimmte Minimaltemperatur ist erforderlich, um überhaupt
einen Lichtbogen zu erzielen, und die E. M. K. der Tachometerrnaschine, die derjenigen
der kleinen Batterie entgegenwirkt, sorgt dafür, daß z. B, bei zufälliger Tourensteigerung
eine Versminderung der Kathodentemperatur eintritt, die zu einer Erhöhung der Bogenspannung
führt, so daß sich die Spannung am Anker des Motors vermindert und Regelung eintritt.
Verändert man das Feld der Tachometermaschine durch Veränderung des Widerstandes
R,, so steuert man die Geschwindigkeit. Veränderung des Widerstandes R= hat zwar
das gleiche Resultat, doch wird die Empfindlichkeit der Regelung hierdurch beeinflußt.
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Die Einrichtung läßt sich ergänzend auch zur Feldregelung des Motors
im Sinne des Patents 367964 benutzen, und es ist auch möglich, eine Kaskadenwirkung
derart herzustellen, daß die Tachometermaschine zunächst auf einen Hilfslichtbogenapparat
gleicher Wirkungsweise arbeitet und dieser nur Strom für die Kathode des Hauptapparates
liefert, so daß er also ähnlich wirkt, wie die bekannten Hilfsanodenrelais. Auf
solche Weise läßt sich die Empfindlichkeit beliebig steigern, und es hängt ganz
von der Einregelung ab, ob man ganze Treibpulse aussetzt oder sie nur beeinflußt.
Letzteres ist bei
Gleichstrommotoren im allgemeinen vorzuziehen,
zumal man kleine Reste von ganzen Pulsen zur Wirkung bringen kann, womit man weniger
starke Momentanströme und geringere Verluste in dem etwa vorzusehenden :Minimalwiderstand
bekommt. Innerhalb gewisser Bereiche ist die Stabilität des L ichtbogenapparates
übrigens genügend, um auch bei ausgeschalteter Tachometermaschine eine Geschwindigkeitssteuerung
vermittels Veränderung von R.: von Hand vorzunehmen, wobei der Kommutator der Tachometermaschine
dann kurzgeschlossen oder diese ganz entfernt gedacht werden muß. Dabei ist es natürlich
aber ausgeschlossen, daß Teile der Spannungspulse zur Wirkung gelangen, cla die
durchkreuzende Wirkung der Tachometermaschine nicht mehr besteht. Bei hohen Empfindlichkeiten
werden in jedem Falle alle Pulse zur Wirkung kommen, und der Strom wird durch ziemlich
reine Widerstandswirkung beeinflußt, gleichgültig wie schnell man auch auf andere
Geschwindigkeiten umsteuert. Die Widerstandswerte für die einzelnen Zeitelemente
eines Pulses sind aber auch jetzt verschieden.
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Wie Versuche gezeigt haben, sind Material und Formgebung der Kathoden
für die zti erzielenden Wirkungen von besonderer Bedeutung. Man kann z. B. Stäbe
aus Mischungen bestimmter Metalloxyde verwenden, die entweder durch Sekundärerhitzung
eine g Wisse Minimalleitfähigkeit bekommen oder e schon nach ihrer Zusammensetzung
eine gewisse geringe Leitfähigkeit besitzen, die sich bei Durchgang der Regel- und
Arbeitsströme selbst genügend erhöht. Metalloxyd- und Metallkombinationen können
für andere Fälle günstig sein, und auch rein metallische Anordnungen haben ihr Verwendungsfeld.
Die Größe des Stromes, die Wärmeaufnahme- und Leitfähigkeit der Elektroden und der
Gcsamtkonstruktionen spielt bei den Entscheidungen eine Rolle und besonders auch
die Haltbarkeit der Elektroden. Namentlich bei Metallelektroden kann es nötig werden,
die Bogendämpfe sowenig als möglich den Elektroden zu entnehmen, vielmehr den Apparaten
besondere Gase für den Bogen zuzuführen.
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Versuche ergeben stets eine Regelcharakteristik, wie in Abb. 4. angedeutet
ist. Dabei ist I, der erhitzende Regelstrom der Kathode und E die Bogenspannung,
die maßgebend für die Geschwindigkeit des Motors ist. Der Grad der Steilheit der
Kurve richtet sich nach dem Material der Anordnungen und nach diesem selbst und
damit auch die Empfindlichkeit des Systems. Namentlich die Wattempfindlichkeit der
Anordnungen kann sehr hoch getrieben werden, da der Spannungsverlust im Hilfsstromkreis
sehr gering ist, und hier liegt ein wesentlicher Unterschied gegenüber den Anordnungen
mit Hilfslichtbogen im Apparat selbst vor, die auf "die Hauptentladung und die Elektroden
einwirken, aber mehr Spannung verbrauchen, was gegebenenfalls, namentlich auch für
weitere kaskadierende Hilfsrelais, nicht ohne Bedeutung ist, die aber, wie besondere
Versuche ergaben, keine höhere Stromempfindlichkeit besitzen als vorliegende Anordnungen,
da die Erhitzung der Kathode allein und gegebenenfalls auch die der Anode stets
hauptsächlich maßgebend zu sein scheint.
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Beim Betrieb von Wechselstrommotoren kann statt der Anordnungen mit
Thermokathoden bzw. -anoden in Ersatz von . Mehrelektrodensystemen, zumal Gleichrichterwirkungen
jetzt überflüssig oder von Nachteil sind, hier unter Umständen einfach eine Wechselstrombogenstrecke
mit Thermoregelelektroden Verwendung finden, da auch bei solchen Anordnungen innerhalb
gewisser Verwendungsgrenzen die Charakteristik der Abb. d. erscheint, also der Wechselstrom
an sich den Lichtbogen nicht aufrechtzuerhalten vermag und auch der Einfluß .der
Arbeitsströme auf die Geschwindigkeitscharakteristik der Motoren in solchen Grenzen
sehr klein sein kann, ganz abgesehen davon, daß diese Geschwindigkeitscharakteristik
beliebig geändert werden kann, indem man den Arbeitsströmen oder kleinen Komponenten
solcher Ströme einen Einfluß auf die Felder der Tachometennaschinen gestattet.
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Dabei brauchen die Thermosteuerelektroden nicht die eigentlichen Arbeitselektroden
zu sein, wie in Abb. 2 gezeigt ist, wo die Regelung; eines Induktionsmotors im Sekundärkreis
dargestellt ist, während Abb.6 einen senkrechten Schnitt durch einen Teil des Elektrodengefäßes
zeigt, in dem ein Elektrodenpaar, bestehend aus einer Hauptelektrode Y und einer
Steuerelektrode Z, liegt. Die Hauptelektroden Y sind dabei etwa Metallelektroden,
z. B. Ouecksilberelektroden üblicher Konstruktion. Die Steuerelektroden Z, von denen
in der Abbildung der Übersichtlichkeit wegen nur eine gezeichnet ist, sind z. B.
Metalloxydelektroden von größerer Bewahrungsfähigkeit für die Hitze, so daß selbst
ein Wechselstrom als Hilfsstrom, wie in der Abbildung angedeutet, steuerfähig ist,
d. h. die Hauptelektrodenwirkung in gewünschter Weise mehr oder weniger verzögert
oder völlig in oder außer Wirkung bringt. Gleichstrom als Steuerstrom ist natürlich
aber besser, und in jedem Fall geht der Arbeitslichtbogen beim Ansprechen alsbald
von der Steuerelektrode zur Hauptelektrode, so daß die Hilfselektroden durch den
Ionenstoß nicht
weiter geschädigt werden. Zur Unterstützung der
Wirkung ist zwischen Steuer- und Hauptelektroden ein Widerstand angedeutet. Versuche
ergaben indessen, daß der Bogenübergang auch ohne solchen Widerstand, also bei ziemlich
gleichem Potential der Elektroden, stattfindet. Sogar bei völliger Trennung der
Elektroden tritt eine allerdings veränderte Wirkung ein.
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Zur Sicherung und Verstärkung der Wirkung ist in der Abbildung im
Regel- und Steuerkreis ein Vervielfacher bekannter Wirkung mit der Wehneltkathode
W und der Treib- und Sperranode U angedeutet. Der Vervielfacher ist für den zur
Regelung benutzten Netzwechselstrom in bekannter Weise vermittels :der ganzen Spannung
der Hilfsbatterie B arbeitsfähig gemacht und der kleinere Teil der Batteriespannung
arbeitet wie früher mit der Spannung der Tachometermaschine in Gegenschaltung.
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Statt eines solchen Vervielfachers kann auch wieder ein Lichtbogenrelais,
wie beschrieben, verwendet werden, und es ist bei der Kleinheit der Ströme sogar
möglich, für solche Zwecke ein einfaches Gleichstrombogenrelais zu verwenden, d.
h. die Therrnokontrolle an dem steilen Ast der entsprechenden einfachen Gleichstrombogencharakteristik
zur Anwendung zu bringen. Versuche haben ergeben, daß z. B. für Metalloxyde statt
der Kathoden- auch eine Anodensteuerung oder beides gemeinsam eintreten kann, weil
für diesen Fall der Wärmeeinfluß auf die Kathode innerhalb bestimmter Grenzen kaum
größer ist als derjenige auf die Anode, ja gegen Erwarten zum Teil größer, zumal
für die meisten Oxydmischungen in solchen Fällen nicht nur wie überall sonst an
der*Kathode, sondern auch an der Anode eine bestimmte Minimaltemperatur zur Aufrechterhaltung
des Bogens und der Leitfähigkeit des Systems überhaupt nötig ist.
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In Abb.3 ist eine primäre Geschwindigkeitsregelung für einen Induktionsmotor
dargestellt, und hierbei ist für die beiden zu beeinflussenden Arbeitsleistungen
eine nur in einer Leitung dargestellte Doppelkathoden-und Anodeneinrichtung vorgesehen,
was auch bei den stärksten Strömen zu einem sicheren Betrieb führt. Hier ist zugleich
eine völlige Trennung des Steuerelektrodensystems von (lern Hauptsystem durchgeführt,
und die Wirkung ist eine zweifältige. Die Erhitzung der Steuerkathode K1 erfolgt
zunächst wieder durch Wechselstrom, und zwar in Phase mit dem zugehörigen Arbeitsstrom,
wie wieder nur auf der einen Seite des Lichtbogenapparates angedeutet ist. Dies
ist an und für sich nicht von großer Bedeutung wegen der Wärmekapazität des Oxydes,
obwohl es auch eine Rolle spielt, namentlich bei geändertem Material. Von größerer
Bedeutung ist, daß die unabhängige Hilfsanode auch in Phase mit dem Arbeitsstrom
ist. Bekannt ist nämlich, daß Quer- und Glimmlichtstrecken bei Lichtbogenstrecken
diese Bogenstrecken, nainentlich wenn die Kathode etwas oxydiert ist, zu zünden
vermögen. Die hier vorliegende Strecke A, K1 mit den Regelwiderständen R? und R,
ist wegen der heißen Kathode noch weit wirksamer und für kleinere Spannungen geeignet
und sie wirkt nur einseitig, sichert also die reine Kathodenwirkung von K.
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Im Sekundärkreis des Motors ist dabei ein Minimalwiderstand zu denken,
obwohl die Wirkung der Primärregelung bei Einstellung der Empfindlichkeit der Anordnung
bei R., es ermöglicht, auch die Grunddrehfelder der Motoren zu ändern. Die Geschwindigkeitsregelung
geschieht im übrigen wieder bei R,, und auch jetzt kann ein Regelbetrieb ohne Tachometermaschine
durch Verstellung von R_ möglich werden, da genügende Stabilität und Elastizität
des Systems bei starken Veränderungen der Arbeitsströme infolge von Stößen besteht.
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Ersetzt man den Lichtbogenapparat durch einen reinen Elektronenentladungsapparatmit
im übrigen gleichbleibender Thermokontrolle, so gilt das nicht mehr allgemein, denn
es ist bekannt, daß, wie Abb. 5 zeigt, w o die Verhältnisse über aooo° C angedeutet
sind, bei einmal eingestellter Kathodentemperatur der Arbeitsstrom bei vergrößerten
Tourenabfällen und Spannungen oder Spannungsdifferenzen nur beschränkt Weitersteigen
kann. Die Stromlinien für die Spannungen E und El kennzeichnen diese Verhältnisse.
Ist aber einmal der Raumladungseffekt überwunden, wie auf der linken Seite der Abbildung
angedeutet ist, so steigt der Strom nicht mehr, und erst der Einfluß einer Tachometermaschine
beschriebener Wirkungsweise im Simse vorliegenden Verfahrens scann dies ändern,
indem diese die Temperatur verändert. Bei einiger Vorsicht kann man auch bei einer
solchen Voraussetzung beim Geschwindigkeitssteuern vermittels Feldregelung der Tachometermaschine
aus dem horizontalen Teil der Stromkurven herausbleiben und lediglich entlang der
Kurve des Sättigungsstromes arbeiten, was sich bei Wechselstrom noch erleichtert,
da dann der übergehende Bogen der Stromkurve für bestimmte Spannungen vergrößert
-wird und der horizontale Teil sich beschränkt. Doch läßt sich natürlich auch die
durch die Gesamtanordnung erzielte indirekte Arbeitselastizität beliebig steigern,
so daß es sich eigentlich stets mehr darum handelt, dem Bereich unnützer und schädlicher
Kathoden
bzw. Elektrodenerhitzungen fernzubleiben.
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Eine steigende Spannungscharakteristik, wie bei den Apparaten mit
Regelanoden vorhanden ist und für Erreichung von Parallelarbeit mehrerer Apparate
vorteilhaft sein kann, ist nach dem Gesagten hierbei allerdings nicht vorhanden.
Doch sind dafür die Loch- oder Netzanoden völlig vermieden, die bei großen Apparaten
unbequem sind und die natürlichen Stromverteilungen genügen. Solche Systeme sind
aber stets auch nur für gewisse Strombereiche bei sehr hohen Spannungen brauchbar.
Gaseinführung ergibt in an sich bekannter Weise Vergrößerung des Bereiches der Ströme
bei verringerten Spannungen und zunächst vorteilhafte Charakteristiken; erst bei
noch größeren Strömen tritt dann die für Parallelarbeit nicht günstige Lichtbogencharakteristik
auf. Wie vorher beschrieben, spielt diese aber bei den erstgenannten Wechselstromanordnungen
und Gleichrichtern keine Rolle, und nur bei reinem Gleichstrom wäre eine Verteilung
des Stromes auf viele Bögen lediglich zur Erzielung einer starken Thermorelaiswirkung
und der Möglichkeit einer völligen Bogenlöschung zwecks Ausschaltung mehr ins Auge
zu fassen, da ja hier Treibpulse nur insofern bestehen, als sie durch den Regelbetrieb
und seine Einwirkungen auf das -schwingungsfähige Gesamtsystem hervorgerufen werden
oder werden können. Durch besondere Verbundwirkungen zwischen Apparaten und Tachometermaschinen
zur Stabilisierung könnte auch solchen Problemen Rechnung getragen werden, wenn
nicht schon an sich die Wechselstromkraftübertragung vorteilhaft wäre und diese
sich nicht, wie oben beschrieben, auch am vorteilhaftesten zur Regelung der angeschlossenen
Wechsel- oder Gleichstrommotoren erwiesen hätte.