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Einrichtung zur Stabilisierung selbsterregter Gleichstrommaschinen
mit einer vom Anker gespeisten besonderen Stabilisierungswicklung Es ist bekannt,
daß bei selbsterregten Gleichstromerzeugern eine stabile Spannungsregelung in dem
Teile der Charakteristik, in dem der magnetische Kreis keine Eisensättigungen enthält,
ohne besondere Mittel nicht möglich ist. Es sind daher mannigfache Einrichtungen
zur Erreichung der Stabilität vorgeschlagen worden. Diese haben jedoch meist gewisse
Nachteile. Verschiedene lassen eine einwandfreie Regelung nur in beschränkten Grenzen
zu, andere, bei denen die Regelung in den weitesten Grenzen möglich ist, haben sich
als sehr kostspielig erwiesen.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Ausführung, die eine unbedingt stabile
Regelung von und bis zur Remanenzspannung gewährleistet. Sie vermeidet die den meisten
derartigen Einrichtungen anhaftenden Nachteile und 1äßt sich in ihrer einfacheren
Form verhältnismäßig billig ausführen.
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Das Prinzip soll an der allgemeinsten Form der Ausführung (4bb. i)
erklärt werden. Der Eisenweg des magnetischen Kreises ist längs der Kraftlinienrichtung
an irgendeiner Stelle, konstruktiv am besten im Schenkel der Hauptpole, in zwei
(oder auch mehrere) Teile zerlegt. Jeder dieser Teile oder auch nur einer von ihnen
trägt eine besondere Wicklung, z. B. der Teil Qs die Wicklung mit den Amperewindungen
Ar.' und der Teil Q,' die Wicklung mit den Amperewindungen,4w.". Beide Wicklungen
sind unter sich in Reihe oder parallel geschaltet und haben gleiche oder ungleiche
Windungszahlen. Sie können so zueinander geschaltet sein, daß die Richtung des von
ihnen erzeugten Feldes dem eingezeichneten Sinne :entspricht - dieser Richtungssinn
sei als positiv festgelegt-, oder auch so, daß die Feldrichtung in der einen Wicklung
- als solche komme im folgenden nur A%"
in Betracht -- eine dem eingezeichneten
Sinne entgegengesetzt gerichtete ist.
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Die Pole tragen im übrigen die normale Haupterregeiwicklung mit den
Amperewindungen Awl. Es spei jedoch schon hier bemerkt, daß diese Wicklung bei entsprechender
Ausbildung und Regelung der Hilfswicklungen, die zusammen Stabilisierung swicklung
genannt werden sollen, ganz wegfallen kann. Dies geht aus den unter Abschnitt I
gegebenen Erklärungen hervor.
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Die Stabilisierungswicklung erhält ebenso wie die H.aupterregerwicklung
von dem normal ausgeführten Anker Strom. Sie liegt parallel oder in Reihe zur Hauptwicklung,
jede für sich mit dementsprechenden, zur Regelung dienenden Vorschaltwiderstand.
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Der Erklärung der Wixkungsweise soll die Parallelschaltung der Stabilisierungswicklung
zur
Hauptwicklung zugrunde gelegt werden, da diese Schaltung am besten den Vorgang zu
analysieren gestattet. Die Reihenschaltung und Abarten dieser beiden Schaltungen
lassen sich dann unschwer auf die Parallelschaltung zurückführen.
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Die Stabilisierungswicklung hat nun die Aufgabe, in erster Linie Sättigungen
in. mindestens einem Teil des Poles aufrechtzuerhalten und dadurch die Charakteristik
der Maschine so zu gestalten, daß immer eindeutige Schnittpunkte der i # Y-Geraden
mit der Charakteristik möglich .sind. Die Stabilisierungswicklung erzeugt n,äxnlich
einen sich innerhalb eines Teiles des Eisenweges nach Abb. i im Schenkel und über
das Joch schließenden Kreisfluß, der sich dem wirksamen Hauptfluß überlagert und
die erforderlichen Sättigungen zur Folge hat. Eine speziellere Aufgabe ist die,
mit der Stabilisierungswicklung allein. eine beliebig kleine Spannung stabil zu
erzeugen, ohne daß die Haupterregerwicklung Strom zu führen braucht.
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Es sollen die beiden Aufgaben getrennt behandelt werden, und zwar
die letztere zuerst, da diese ja eigentlich .ebenfalls die Hauptaufgabe, die der
Erzeugung von Sättigungen, in sich einschließt.
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Hier sei noch bemerkt, daß die Anordnung einer zusätzlichen Hilfswicklung
auf dem Feldpol an sich, jedoch nicht zum Zweck der Stabilisierung bekannt ist,
wobei die Hilfswicklung derart erregt ist, daß sie einen nur im Eisen des Feldpols
sich schließenden und den wirksamen Hauptfluß überlagernden Kreisfluß erzeugt, der
nicht in den Anker übertritt.
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I. Vorerregung Es sei also die Hauptwicklung stromlos, d. h. Awl
= o, und nur die Stabilisierungswicklung führe Strom. Dieser Zustand heiße
Vorerregung. Der absolute Wert der Amperewindungen der Stabilisierungswicklung sei
1-4w21 = I AW2.' l + 1 As," ! .
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Die Vertikalstriche in der letzten Gleichung sollen Absolutwerte der
Amperewindungen ohne Rücksicht auf das Vorzeichen kennzeichnen.
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Die Stromrichtung der Wicklung Aw2' sei so, daß der von ihr allein
erzeugt gedachte Fluß mit dem Remanenzfluß der Maschine gleichgerichtet ist. Diese
Richtung soll als unveränderlich angesehen werden, während die Richtung der Aw2'
umkehrbar sein soll. Man erkennt dann aus der Abb. i, daß der den Luftspalt durchsetzende
Fluß cD1 - CD, - CD,' -f- cDs " verschieden groß ist, je nach Wahl
der bedingenden Größen. In der letzten Gleichung ist die Polstreuung vernachlässigt.
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Die bedingenden Größen sind: i. der absolute Wert Aw. der erregenden
Kraft, 2. ihr relativer Wert
3. die Widerstände in den verschiedenen Teilen der magnetischen Kreise.
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Die Charakteristik des Luftflusses kann also verschiedene Lagen in
der cD1-Aw-Ebene annehmen. Lä.ßt man den Wert a von +i bis -i variieren, was zunächst
nur durch verschiedene Windungszahlen und Änderung der Stromrichtung :erreicht werden
soll, und ändert sich Qs von Null bis zum gesamten Schenkelquerschnitt Qs, so erhält
man durch die nur möglichen Kombinationen eine unzählige Schar von Kurvenscharen,
die das ganze Gebiet der Ebene zwischen dem positiven und negativen Wert der normalen
Charakteristik überdecken. Die normale Charakteristik sei diejenige, die nur mit
der Haupterregerwicklung aufgenommen wird. In Abb. 2 ist eine von diesen Kurvenscharen
zur Darstellung gebracht. Sire gilt für einen konstanten Wert von Q,' bzw. Q,' und
l,' (vgl. Abb. i) und für veränderliche Werte von a. Außerdem sind die beiden Grenzkurven,
nämlich die positive und die negative Charakteristik, ferner die Horizontale im
Abstand des Remanenzflusses eingezeichnet. Diese drei Linien charakterisieren. folgende
Grenzfälle: a) Die positive Charakteristik I gilt für i. a=+ i und Q,'= Q, oder
QS'= o, 2. a=- i und alle Werte von Q,' zwischen Null und Qs, 3. a = o und Q'= Q,
(identisch mit i). b) Die negative Charakteristik II gilt für a = -E- I und Q'=
o oder Qs ' = Qs.
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c) Die Remanenzhorizontale III gilt für i. a-+i und Q,'= Q,", 2. a
= o und Qs = o, Zwischen den entsprechenden Grenzkurven liegen also die jeweils
möglichen Kurvenscharen, z. B. für den konstanten Wert a - j- i und veränderliche
Qs zwischen der positiven und negativen Charakteristik, für den konstanten Wert
Q'= Q"' und veränderliches a zwischen der Remanenzhorizontalen und der positiven
Charakteristik,
usw. Der Einfluß der . Länge 1s soll nicht besprochen werden.
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Da nun Selbsterregung vorausgesetzt ist, kommen diejenigen Gebiete
der Kurvenscharen, die unterhalb der Remanenzlinie liegen, für die Praxis nicht
in Betracht.
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Jede der auf irgendeine Weise erhaltenen Charakteristiken gilt als
stabil von dem Punkt an, in dem Sättigungen auftreten. Man ist also in der Lage,
durch entsprechende Wahl der einzelnen Varianten den unteren Grenzpunkt der Stabilität
beliebig tief zu legen. Dies braucht, wie aus dem über die Kurvenscharen Gesagten
hervorgeht, nicht eindeutig in der Weise zu geschehen, daß es für einen bestimmten
tiefsten Punkt nur eine ganz bestimmte Gruppe zusammengehöriger Varianten gibt,
sondern es sind viele solcher Gruppen möglich, die zur gleichen tiefsten stabilen
Spannung führen.
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Das Auftreten der SÄttigunglin den Teilen Qs und Q5" wird außerordentlich
beschleunigt durch den Kreisfluß, der sich innerhalb des Schenkels und über das
Joch schließt und sich dem wirksamen Fluß überlagert. Bei sehr kleinem Luftfluß,
den man für Kombinationen in der Nähe der Remanenzlinie erhält, ist dieser Kreisfluß
ein Vielfaches des Luftflusses; er erreicht den Höchstwert gleich dem halben Schenkelfluß
für normale Volllasterregung, wenn a = i und Q,'+ Q,". Der Verbrauch an Amperewindungen,
um diesen Kreisfluß zu erzeugen, ist sehr gering, da sich dieser durchweg im Eisen
schließt. Der Luftspalt wird also durch den Kreisfluß nicht beansprucht, so daß
für den Durchtritt des Hauptflusses nur wenige Amperewindungen benötigt werden.
Der resultierende Fluß cbs" bewegt sich natürlich zwischen einem negativen (nach
oben. gerichteten) und positiven (nach unten gerichteten) Werte je nach der an den
Endquerschnitten der Strecke ls vorhandenen magnetischen Spannung.
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Es ist bisher gezeigt worden, daß es durch irgendeine Kombination
der Varianten möglich ist, irgendeine Spannung stabil zu erzeugen. Durch die erforderliche
tiefste stabile Spannung ist also irgendeine Kombination gegeben. Hat man sich für
irgendeine Kombination entschieden, so ist die Stabilisierungswicklung für die bei
dieser Kombination erzeugte stabile Spannung U zu dimensionieren nach den gleichen
Gesichtspunkten wie bei einer gewöhnlichen Nebenschlußmaschine (Abb.3). Man braucht
aber nicht die erforderliche tiefste stabile Spannung mit der Stabilisierungswicklung
allein zu .erzeugen, da sonst die Wicklung leicht größere Abmessungen beanspruchen
würde, sondern man kann die Kombinationen so wählen, daß die mit der Stabilisierungswicklung,
also durch Vorerregung gewonnene stabile Spannung noch unterhalb der gewünschten
Grenze liegt, da ja die Haupterregung zur Erzeugung einer höheren Spannung jederzeit
zur Verfügung steht, mit anderen Worten, aus Wirtschaftlichkeitsgründen legt man
die Spannung der Vorerregung (Punkt A in Abb.3) nur wenig über die Remanenzspannung
oder macht sie gleich der Remanenzspannung.
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Es ist auch nicht- unbedingt erforderlich, jeden. Teil des Schenkels
mit einer '\Vicklung zu versehen. Wählt man aus den möglichen Kombinationen jene,
bei welcher ä den konstanten Wert Null. hat, so erhält man .nur eine Wicklung (Abb.
4.). Diese Ausführungsform ist die zweckmäßigste.
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Es wurde bei Begiun der Erklärung des Prinzips behauptet, daß die
Haupterregerwicklung nicht unbedingt vorhanden sein muß; sie kann nämlich durch
die Stabilisierungswicklung voll ersetzt werden, wenn diese als Zweispulenwicklung
nach Abb. i ausgeführt wird. Die Erklärung soll hier gegeben werden. Es wurde dargelegt,
daß die durch verschiedene Kombinationen von konstanten Werten Qs und variablen
Werten a und umge,-kehrt_ erhaltenen Kurvenscharen die ganze Fläche zwischen positiver
normaler Charakteristik und Remanenzlinie überdecken (Abb. 2i). Es läßt sich also
durch jeden Punkt dieser Fläche eine Charakteristik legen, und dies ganz unabhängig
von der Größe von Q,'. Denn zu einem jeden Wert QS l;äßt sich immer ein bestimmter
Wert a finden, so daß deren Kombination die Charakteristik durch den ins Auge gefaßten
Punkt liefert. Nun können aber bei der ausgeführten Maschine durch entsprechende
Shuntwiderstände und durch Umkehrung der Stromrichtung in der einen der beiden Teilwicklungen
die virtuellen Windungszahlen und damit u beliebig geändert werden, und dadurch
ist es also möglich, die Spannung in den gewünschten Grenzen ohne Zuhilfenahme der
Haupterregerwicklung zu regeln. Durch eine solche Veränderung von ä, bewegt man
sich nämlich in der Koordinateneb@ene der Charakteni,stikscharen so, daß man auf
irgendeinem Wege in irgendeiner Richtung von einer Charakteristik zur anderen übergeht.
Ein solcher Weg ist in Abb. z für einen konstanten absoluten Werta der Aw., gezeichnet.
Um die Stabilität dieser Regelung zu wahren, muß man sich natürlich so bewegen daß
man nur stabile Teile der Cha= rakteristiken schneidet. Eine solche Regelung ist
grundsätzlich möglich, man muß nur die Wicklungen so bemessen, daß bei der zur Verfügung
stehenden Maschinenspannung die erforderlichen Amperewindungen aufgebracht werden
können. Um dies zu erleichtern, ist eine Parallelschaltung der zwei Teilwicklungen
zueinander
für kleine undeine Serienschaltung für höhere Spannungen. zweckmäßig.
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Damit ist die Frage der Vorerregung erschöpft. Es soll nun die kombinierte
Erregung, d. h. Erregung märt Haupt- und Stabilisierungswicklung, behandelt werden.
Dabei soll von einer bestimmten Vorerregung für konstante Werte QS und a ausgegangen
werden.
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II. Kombinierte Erregung Es führen also sowohl Haupt- als auch Stabilisierungswicklung
Strom. Die Zuschaltung der Awi zu Aiv2 erfolge in einem Punkt Po der Vorerregungrii
(Abb.5), wo bereits starke Sättigungen in den Polabschnitten vorhanden sind. Mit
zunehmender Erregung Aw1 (von o aus nach rechts aufgetragen) steigt dann die Spannung
nach der I%'-urveb. Dabei ist natürlich die Stabilisierungswicklung durch Zuschalten
von Widerstand vor Überlastung zu schützen. Um die Maschine stabil zu. erhalten,
ist weiter nichts nötig, als daß diese Regelung so erfolgt, da.ß immer irgendwo
Siättigungen vorhanden sind, welche die Proportionalität zwischen Spannung und Feldstrom
stören. Dies wird erreicht durch den Strom in der Stabilisierungswicklung, welcher
den Kreisfluß, innerhalb der Pole so lange aufrechterhalten muß, biss die Slättigung
in den übrigen Teilen des Hauptkreises bereits begonnen hat (Punkte). Der Stabilisierungsstrom
muß aber nicht über diesen ganzen Bereich konstant gehalten werden, sondern er kann
sehr bald abnehmen. Es genügt zur Erzielung der Stabilität vollkommen, wenn man.
ihn etwa geradlinig bis zum Punkt B (Geraded) abnehmen lä:ßt. Aus der Abb.5 isst
ersichtlich, daß bei einer solchen Regelung klare Schnittpunkte der i # r - Geraden
der Hauptwicklung (Gerade g) mit der Charakteristik,b möglich sind.
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Im Punkt P geht die Kurve b in die normale Charakteristik f über.
Von hier ab beginnt die Regelung in normaler Weise ohne Stabilisierungswicklung.
Zur Erhöhung der Stabilität bei Last kann die im Nebenschluß liegende Stabilisierungswicklung
durch eine oder mehrere Hauptstromwindungen unterstützt werden. Deren Einfluß ist
groß bei kleinen und klein bei großen Ankerspannungen.. III.BesondereAusführungsformen
des Grundprinzips In Abb.6 ist von den Hauptpolen je ein Teil üi Richtung der Bleche
abgetrennt und mit der Stabilisierungswicklung versehen. Zur richtigen Einstellung
des zur Erzielung geringer Luftspaltinduktion erforderlichen Kreisüusses dient hier
statt der Widerstände in. den Eisenwegen allein auch noch eine Luft-. strecke b'
im Verein mit dem Querwiderstand der Bleche.
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In. Abb. 7 ist diese Luftstrecke b' an den Polrücken gelegt. Die beiden
Spulen haben gleiche Windungszahlen und wirken in gleichem Sinne.
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In Abb. 8 ist die von vornherein gegebene Zweiteilung des Eisenquerschnittes
im Joch zur Verwirklichung des Grundprinzips benutzt. Das Joch wird durch eine Anzahl
Spulen so erregt, daß sich der Kreisfluß innerhalb des Joches schließt. Die Spulen
können wie die der Abb. i gewickelt und geschaltet sein (die Haupterregerwicklung
ist hier nicht gezeichnet). Eine solche Anordnung ermöglicht es, jede fertige Maschine
ohne große Schwierigkeiten in eine stabile zu verwandeln. Mit Rücksicht ,auf die
Ausbildung des erforderlichen Wendeflusses im Joch wird man allerdings hier die
Sättigungen nicht allzu hoch treiben. IV. Regelung des Stabilisierungskreises .
Sie erfolgt zwangsläufig mit der des Hauptkreises. Liegt die Stabilisierungswicklung
s parallel zur Hauptwicklung'h, so geschieht die Regelung durch einen kombinierten.
Regler nach Abb.9; ]legt sie in Reihe, so erübrigt sich eine besondere Regelung.
Man wird jedoch in diesem Fall besser durch einen besonderen Regler nach Abb. zo
die Stabilisierungswicklung s im normal gesättigten Gebiet der Charakteristik stromlos
machen. In beiden Fällen ist die Wicklungs> im letzten (rechten.) Teil des Schaltweges
kurzgeschlossen.