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Schalteinrichtung für einen mit einer Akkumulatorenbatterie zusammenarbeitenden,
von einem Explosions- oder Windmotor angetriebenen Gleichstrom-Generator Die Stromerzeuger
von kleinen elektrischen Zentralen werden oft von Explosionsmotoren angetrieben.
Deren Wirkungsgrad nimmt bei abnehmender Belastung bekanntlich rasch ab, und gleichzeitig
besitzen sie die Eigenschaft, Überlastungen nicht gewachsen zu sein. Wenn neben
dem Stromerzeuger noch eine Sammlerbatterie vorhanden ist, die in Zeiten geringen
Stromverbrauches als Stromquelle dienen soll, so ist es von großem Vorteil, wenn
bei kleineren Netzbelastungen in jedem Augenblick selbsttätig immer gerade eine
so starke Batterieaufladung aufrechterhalten wird, daß der Antriebmotor gerade vollbelastet,
aber nicht überlastet wird.
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Eine volle Ausnutzung der Maschinenleistung während des Hauptteiles
der Betriebszeit ist natürlich nur dann erreichbar, wenn die Motorgröße so klein
gewählt wird, daß sie nicht den gelegentlich vorkommenden Belastungsspitzen, sondern
nur ungefähr dem normalen täglichen Verbrauch gewachsen ist. Dieses Ziel kann erreicht
werden, wenn die Batterie bei einem die Motorkraft übersteigenden Strombedarf zur
Unterstützung der Maschine selbsttätig einspringt.
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Die Erfindung hat eine Einrichtung zum Gegenstand, die der Antriebsmaschine
immer die ihrer Leistungsfähigkeit entsprechende Belastung -zuweist, gleichgültig,
um wieviel die vom Verbrauchsnetz geforderte elektrische Leistung die Motorkraft
unter- oder überschreitet. Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, bei kleinem,
den Motor nicht voll belastendem Strombedarf in dem vom Verbrauchsnetz unabhängigen
Batterieaufladekreis selbsttätig einen veränderlichen Widerstand einzuschalten,
der den zur Motorvolllast noch fehlenden Ladestrom entstehen läßt, und feiner darin,
bei Netzleistungen, die die Kraft des Antriebsmotors übersteigen, die Batterie parallel
zur Maschine an das Netz zu legen und gleichzeitig den Generator auf konstante Leistungsabgabe
zu regeln.
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Die Abb. r und z zeigen zwei Ausführungsbeispiele. A bedeutet den
Kollektor einer Gleichstromdynamomäschine, deren Anker behufs Erzeugung einer Zusatzspannung
zur Aufladung einer Batterie noch eine zweite Wicklung mit eigenem Kollektor B besitzt.
C ist die beiden Ankerwicklungen gemeinsame Erregerwicklung, deren Stromkreis über
einen Regelungsapparat D führt. Dieser besteht beispielsweise in einer aus Kohlenscheiben
aufgeschichteten Säule, die durch die Feder'Di zusammengepreßt und durch den Magneten
E mehr oder weniger wieder entlastet wird. Je stärker der Magnet zieht, um so größer
wird der Säulenwiderstand, und es entsteht in jedem Augenblick im Erregerkreis so
viel Widerstand, daß die Generatorspannung bzw. die durch sie hervorgerufene
Amperewindungszahl
in der Magnetwicklung F konstant bleibt. 0r ist das Stromverbrauchsnetz und H eine
Sammlerbatterie.
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Die gezeichneten Verbindungen entsprechen dem Betriebszustand mit
laufender Maschine. Die zur Umstellung auf die Stillstandschaltung und umgekehrt
notwendigen Organe sind der Einfachheit halber weggelassen.
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Solange der Strombedarf des Verbrauchsnetzes C' r die Grenze der Antriebsmaschinenleistung
noch nicht erreicht, ist der mit den Schalthebeln Jl, J2 und J3 gekuppelte Anker
des Magneten J losgelassen und stehen diese auf den linken Kontakten. In dieser
Stellung liegt die Batterie H an der Summenspannung beider Kollektoren und wird
von ihr aufgeladen. Der Ladestrom muß auf seinem Weg den Widerstand K durchfließen,
der ebenso wie der Regelapparat D unter dem Einfloß des Magneten L der Batterie
jeweils so viel Widerstand vorschaltet, daß der Gesamtstrom der Gleichstromanker
einen ganz bestimmten Wert annimmt. Je stärker der Magnet zieht, um so mehr Widerstand
entsteht im Ladekreis. Die Abhängigkeit der Magnetzugkraft vom gesamten Maschinenstrom
wird durch die beiden Spulen M und N herbeigeführt, von denen M vom
Netzstrom und N vom Ladestrom durchflossen wird. Belastet schon der Lichtstrom
für sich den Motor voll, so ruft die Spule M allein schon das Maximum des Widerstandes
im Apparat I( hervor, und der Ladestrom wird praktisch auf Null. heruntergedrosselt.
Bei kleinerem Netzstromverbrauch bleibt immer so viel Entwicklungsmöglichkeit für
den Ladestrom: offen, dä.ß die Summe der Amperewindungen der Wicklungen M' und
N,
also die Gesamtbelastung, eineu bestimmten Wert erreicht. Nähert sich indessen
die Batterie dem. Zustand der Volladung, so geht der Ladestrom wegen der wachsenden
Batteriegegenspannung und dank der Lädespannuagsbegrenzung auch bei geringem Netzstrom,
also bei Teilbelastung der Antriebsmaschine, von selbst auf sehr kleine Werte zurück.
Es wird dadurch eine Überladung $er Batterie vollständig vermieden.
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Sobald der Netzstrom so groß wird, daß er die Leistungsfähigkeit des
Antriebmotors übersteigt, zieht der Magnet l unter der Einwirkung seiner vom Netzstrom
durchflossenen Spule O an und legt vermittels des Schalthebels J' die Batterie über
die Spule P parallel zur Maschine an das Verbrauchsnetz.. Gleichzeitig leitet der
Hebel J2 den vom' Generator kommenden Teil. des Netzstromes über die Spule Q des
Generatorreglers E und der Hebel J3 den Strom der SpannungsspuleF desselben
Magneten über- den Vorschaltwiderstand R. Durch den letzteren wird die Amperewindungsz4
auf den Regelungsmagneten bierabgesetzt, und es würde nun die Maschinenspannung
steigen, wenn nicht die Spule Q wieder ungefähr denselben Amperewindungsbetrag hinzufügte.
Dies ist jedoch nur der Fall, wenn die Maschine wirklich Strom von einer bestimmten
Größe an das Netz abgibt. Ist der Netzstrom nicht so groß., so steigt die Generatorspannung
und nimmt infolge ihrer Kräftigung- der Batterie so viel von der Stromlieferung
ab, bis durch die zusätzlichen Starkstromamperewindungen der durch den Widerstand
I? am Regelungsmagneten verursachte Amperewindungsausfall wieder gedeckt ist. Die
Stromabgabe bleibt also immer gleich und wird durch Wahl des Widerstandes f2 mit
der Leistungsfähigkeit der Maschinen in Einklang gebracht.
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Wenn -der Netzstrombedarf wieder kleiner als dieser Vollastwert wird,
so tritt der zuviel erzeugte Generatorstrom als Ladestrom in die Batterie. Dann
kehrt sich der Wirkungssinn der von ihm durchflossenen, auf dem Magneten J angeordneten
Spule P, die bei Batteriestromabgabe die Ankeranziehung verstärkte, um und bringt
den Magneten J wieder zum Loslassen. Hierauf tritt die oben beschriebene Regelung
des Ladestromes auf Motorvollast wieder in Tätigkeit.
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Wird der Generator statt durch .einen Explosionsmotor durch ein Windrad
angetrieben, so ist eine Abstimmung der Stromabgabe nach der verfügbaren Antriebskraft
ebenfalls von großer Bedeutung. Die Antriebskraft ist indessen 'hier je nach der
Windstärke zu verschiedenen Zeiten verschieden groß.
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Die Erfindung umfaßt auch eine Einrichtung, die im Falle' eines Windradantriebes
den Generator jeweils gerade so viel Strom abgeben läßt, als der augenblicklichen
Treibfähigkeit des Windrades entspricht: Die Steuerung der Maschinenstromabgabe
nach der augenblicklichen -Vdindradleistungsfähigkeit geschieht durch eine Veränderung
der Amperewindungszahlen auf den verschiedenen Magneten durch die Raddrehzahl vermittels
eines Fliehkraftreglers.
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Die Abb.2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Anwendung der Erfindung
bei einer Windkraftanlage. Der Fliehkraftregler ist mit T bezeichnet und verändert
vermittels -eines dreiarmigen Kontakthebels die Ohtnzahl von drei Widerständen R,
U und -V.
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Der Regelapparat D, E soll durch die Windgeschwindigkeit nur dann
beeinflußt werden, wenn er nicht die Spannung, sondern den Strom konstant zu halten
hat, d. h. nur wenn der Magnet J angezogen hat. In diesem Falle ist die abgegebene
Strommenge fortwährend verhältnisgleich dem Vorschaltwiderstand R (Abb.-z). Mithin
hat der Fliehkraftregler bei sich ändernder Windradjeschwindigkeit nur
diesen
Widerstand entsprechend zu verändern, wie in Abb. z gezeigt ist.
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Die beiden anderen Magnete L und J üben ihre leistungsbegrenzende
Tätigkeit aus, sobald die ihre Spulen durchfließenden Starkströme eine gewisse,
kritische Amperewindungszahl erzeugen. Dabei sind die Windungszahlen so bemessen,
daß die beabsichtigten Magnetfunktionen erst bei den größten Strömen eintreten,
deren Abgabe man dem Generator beiden höchsten @`'indradgeschwindigkeiten noch zumuten
will.
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Die Verschiebung der Magnettätigkeit bei kleineren Windgeschwindigkeiten
auf kleinere Generatorströme geschieht dadurch, daß ein Teil der Amperewindungen
schon vorweg durch eine Spannungsspule W beim Magneten L und X beim Magneten J erzeugt
wird. Diese erhalten ihren Strom von den Generatorklemmen und sind je mit einem
der durch den Fliehkraftregler gesteuerten Regelungswiderstände U und V in Reihe
geschaltet. Bei den verschiedenen Windradgeschwindigkeiten lassen diese jeweils
so viel Strom in den Spannungsspulen entstehen, daß der zur Erreichung der Arbeitsamperewindungszahl
auf den Magneten noch notwendige Starkstrom gerade der Leistung entspricht, die
das Windrad bei der betreffenden 'Windstärke als Maximalleistung abzugeben vermag.
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Bei ganz kleinen Windstärken und Drehzahlen, bei denen die Radleistung
beinahe Null ist, werden die kritischen Amperewindungszahlen schon durch die Schwachstromspulen
allein erzeugt, und der Generator ist dann nicht imstande, selbst bei beliebig großem
Strombezug des Verbrauchsnetzes einen die geringe Windradleistung übersteigenden
Strom abzugeben. Der Fliehkraftregler ist in Abb. 2 in der diesem Betriebszustand
entsprechenden Stellung gezeichnet.
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Sollte das Bedürfnis- bestehen, den Antriebsmotor der Lichtmaschine
auch für andere Zwecke, z. B. zum Antrieb von landwirtschaftlichen Maschinen, Pumpen
o. dgl., zu verwenden, so ist es von großem Vorteil, wenn man in der Kraftentnahme
nicht durch die Leistungsfähigkeit der Antriebsmaschine begrenzt ist, d. h. wenn
die Dynamomaschine den mechanischen Antrieb unterstützen und die hierzu nötige Energie
der Batterie entnehmen kann.
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Auch diese Aufgabe erfüllt die vorliegende Erfindung. Zu diesem Zweck
wird der MagnetschalterJ, unabhängig vom Stromfluß in seiner Spule O, künstlich
in die angezogene Stellung (rechts) gebracht und der in den Kreis der Spannungsspule
F des Regelungsmagneten E geschaltete Vorschaltwiderstand S, der zur Milderung des
Temperatureinflusses der Spule F sowieso vorhanden sein muß, um so viel verkleinert,
daß der Strom in der Magnetspule Q umkehren muß. um das Regelungsgleichgewicht w`-ederherzustellen.
Durch Veränderung des Widerstandes S läßt sich jede beliebige konstante Motorleistung
einstellen. - Zur Verhinderung einer zu großen Drehzahlsteigerung im Falle verminderter
Bremslast kann ein Fliehkraftrcgler bei Überschreitung einer gewissen Drehzahl den
Widerstand S oder R vergrößern, ähnlich wie bei den 'Widerständen R, U und V, und
dadurch die Drehzahl begrenzen. Durch Überweisung dieser Aufgabe an den Fliehkraftregler
des Antriebsmotors läßt sich erreichen, daß die Dynamomaschine erst dann anfängt
mitzutreiben und die Batterie in Anspruch zu nehmen, wenn der Motor an der Grenze
seiner Leistung angelangt ist, d. h. wenn sein Fliehkraftregler schon beinahe geschlossen
ist und die Treibmittelzufuhr ganz Freigegeben hat.