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Elektrolyt-Unterbrecher zur spasmodischen Regelung von Elektromotoren
Es ist bekannt, elektrische Ströme zum Anlassen von Motoren statt durch veränderliche
Vorschaltwiderstände dadurch zu regeln, daß der Stromkreis rhythmisch unterbrochen
wird. Eine derartige Regelung nennt man eine >>spasmodische«. Hierbei wird der mittlere
Energieinhalt dieser pulsierenden Ströme dadurch verändert, daß :das Verhältnis
der Zeitdauer des einzelnen Stromimpulses zur Zeitdauer der Unterbrechung verändert
wird. Die spasmodische Regelung vermeidet den durch Ohmsche Vorschaltwiderstände
eintretenden Verlust. Sie hat sich bisher aber nicht durchsetzen können. Bei schwachen
Strömen sind die Stromersparnisse zu gering, als daß: sich die komplizierten Anordnungen
wirtschaftlich rentieren würden. Für starke Ströme aber, bei denen der Fortfall
der Verluste ausschlaggebend sein würde, konnte sie bisher nicht verwendet werden,
weil. die periodische Unterbrechung durch die starke Lichtbogenbildung unmöglich
gemacht wurde. Aus diesem Grunde hat sich die spasmodische Regelung trotz ihrer
Vorteile nicht einführen können.
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Andererseits ist durch die deutsche Patentschrift 3'78 22 1 ein Unterbrecher
bekannt geworden, der @es gestattet, hohe Ströme bei hoher Spannung in kurzen Perioden
zu unterbrechen. Dieser elektrolytische Unterbrecher besteht ,aus einer umlaufenden
Elektrode, die durch einen Elektrolyten an einer innerhalb des Elektrolyten vorgesehenen
festen Elektrode vorbei hindurchschlägt und jedesmal durch Eintauchen der Elektrode
in den Elektrolyten den Stromkreis schließt und beim Austauchen öffnet. Dieser Unterbrecher
kann aber für die spasmodische Regelung nicht ohne weiteres verwandt werden, weil
er ein konstantes Verhältnis der Dauer des einzelnen Stromimpulses zur Stromunterbrechung
aufweist. Dieses Verhältnis wird auch durch eine Änderung der Umlaufzahl der Elektrode
nicht beein$ußt, vielmehr bleibt der mittlere Energieinhalt des Stromes innerhalb
gewisser Grenzen derselbe. Die bekannten Vorschläge zur Änderung der Stromschlußdauer
von Quecksilberstrahlunterbrechern können auf elektrolytische Starkstromunterbrecher
nicht ohne weiteres angewendet werden.
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Die Erfindung betrifft einen regelbaren elektrolytischen Unterbrecher,
der die spasmodische Regelung für sehr hohe Energien ermcglicht, ohne daß: beim
Unterbrechen ein Lichtbogen auftritt, und ohne daß ein Reststrom dauernd fließt.
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Am einfachsten kann ein elektrolytischer Unterbrecher durch Heben
und Senkken des Flüssigkeitsspiegels geregelt werden. Dies hat allerdings den Nachteil,
daß der Unterbrecher bei den kürzesten, aber stärksten Stromstößen unter den ungünstigsten
Verhältnissen arbeitet. Zweckmäßiger ist es, das Verhältnis der Zeitdauer des Stromimpulses
zur Unterbrechung dadurch zu regeln, daß
der elektrolytische Unterbrecher
mit zwei synchron umlaufenden Elektroden versehen wird. Diese synchron umlaufenden
Elektroden können gegeneinander bezüglich der Eintauchphase verschoben werden, so
daß dadurch eine einwandfreie spasmodische Regelung bei unveränderlichem Elektrolytspiegel
erreicht wird. Durch Reihenschaltung der beiden Elektroden kann das Verhältnis der
Stromöffnung zum Stromschluß von o bis i geregelt werden. Durch Parallelschaltung
der beiden synchron umlaufenden Elektroden kann dieses Verhältnis von i bis zu c-D
geregelt werden.
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Es hat sich nun gezeigt, daß sowohl beim Beginn des Anlassens ein
völlig funkenfreies Ein- und Austauchen möglich ist, als auch während der gesamten
Anlaßperiode jede Energieverschwendung durch Widerstandserwärmung vermieden werden
kann. Man kann Starkströme von mehreren tausend Kilowatt durch einen spasmodischen
Regler mit elektrolytischen Unterbrechungsstellen funkenlos mit beliebiger Periodizität
und bebeliebigen Intervallen unterbrechen, und erst durch die völlige Funkenfreiheit
wird das bekannte Verfahren zum Regeln von Strömen insbesondere zum Anlassen und
zur Drehzahlregelung von Motoren verwendbar. Es hat, insbesondere in seiner Anwendung
zum Anlassen von Elektromotoren, bekanntlich den Vorteil, daß keinerlei Energie
vernichtet wird, weil die überschüssige Anlaßenergie nicht in Widerständen verzehrt
wird, sondern der Strom in den Strompausen tatsächlich unterbrochen wird.
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Ferner ermöglicht das Verfahren ein sehr gleichmäßiges, ruckfreies
Anlassen, ein sehr schnelles Anfahren und im Zusammenhang damit eine wesentlich
dichtere Zugfolge bei der Anwendung auf Bahnmotoren. Ferner ergibt sich eine wesentlich
vereinfachte Schaltung des Kontrollers und dadurch eine höhere Betriebssicherheit.
Für die Veränderung der Stromschlußphasen im Verhältnis zu den Strompausen gibt
es verschiedene Möglichkeiten.
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In den Zeichnungen bedeutet Abb. i einen Schnitt parallel zur Achse
durch eine Elektrolytzelle, Äbb. z einen Schnitt senkrecht zur Achse. Abb. ;3 zeigt
einen Anlasser mit Schaltwalze, Abb. ¢ eine Abwicklung der Schaltwalze. In Abb.
i rotiert die Elektrode A um die isolierte Achse B und schlägt durch die im Gehäuse
C befindliche Elektrolytflüssigkeit U. Das Gehäuse C kann als Elektrode dienen,
oder es kann eine besondere Elektrode D angeordnet sein. Wie Abb. 2 zeigt, taucht
in das Elektrolytbad ein Hohlkörper G, durch den die Höhenlage des Flüssigkeitspiegels
U (Abb. i) zwischen U' und U" (Abb. 2) verändert werden kann. Bei U', U" ist der
Strom vollkommen unterbrochen, die Stromschlußperiode nimmt bei umlaufender Elektrode
A in dem Maße zu, als U', U' bis zu U", U" ansteigt. Durch Verändern der
Höhenlage des Elektrolytflüssigkeitspiegels kann also der Rhythmus zwischen Stromschluß
und Stromöffnung beliebig verändert werden, gleichgültig, ob die Höhenlage durch
Eintauchkörper, Absaugen des Elektrolythades, Verdrängen der Flüssigkeit, Höherlegen
der Achse B o. dgl. bewirkt wird. Man könnte auch. mittels eines beliebigen Vorgeleges,
das nicht dargestellt ist, die Elektrode A mit ungleichmäßiger Geschwindigkeit umlaufen
lassen oder die Eintauehflächen der Elektrode A während der Regelung fächerförmig
spreizen oder vermindern. Der Apparat wird eingeschaltet, indem das Gehäuse C oder
die Elektrode D an den einen Pol des zu unterbrechenden Stromkreises und die Elektrode
A an dem anderen Pol mittels eines Schleifrings und Bürste angeschlossen ist.
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Eine ,andere Möglichkeit der Stromregelung besteht darin, daß man
zwei synchron laufende Unterbrecher mit unveränderlichem Flüssigkeitspiegel hintereinanderschalüet,
so daß die Stromunterbrechung an zwei Stellen hintereinander erfolgt (Abb..3). Dann
wird das Verhältnis der stromführenden zur stromlosen Zeit dadurch verändert, @daß
die Phasen der beiden synchron umlaufenden Elektrodenwellen gegeneinander verändert
werden, so daß die Eintauchung der umlaufenden Elektrode des einen Unterbrechers
in den Elektrolyten gegen die Eintauchung des anderen Unterbrechers zeitlich verschoben
ist. Dann ist der zu regelnde Stromkreis so lange stromführend, als beide umlaufenden
Elektroden gleichzeitig in ihre Elektrolyten eintauchen. Taucht die Elektrode des
einen Unterbrechers in dem Augenblick ;aus, in dem die des anderen eintaucht, ist
die Stromeinschaltungsphase = o. Wird durch gegenseitiges Verdrehen der Elektroden
beispielsweise eine Verzögerung des Austauchens einer Elektrode herbeigeführt, so
tauchen beide Elektroden eine kurze Zeit gleichzeitig inihreElektrolyten ein, und
der Strom beginnt mit einer im Verhältnis zur Stromunterbrechungsphase sehr kleinen
Stromführungsperiode zu fließen. Durch weitere Phasenverschiebung des Synchronismus
der beiden Elektroden kann die Stromführungsphase gegenüber der Stromunterbrechungsphase
in stetem Übergange bis zu dem Werte vergrößert werden, bei welk. chem die Elektroden
beider Unterbrecher gleichzeitig ein- und austauchen. Da das Verhältnis der Eintauchung
zur Austauchung
der rotierenden Elektrode beider Unterbr; -cher
= i gewählt ist, so ist das Verhältnis der Stromführungsphase zur Stromunterbrechungsphase
bei der hierbei erreichten Elektrodenstellung der beiden Unterbrecher ebenfalls
= i. Soll jetzt das Verhältnis der Stromführungsphase zur Stromunterbrechungsphase
im Stromkreise noch weiter vergrößert werden, so müssen die beiden Unterbrecher
aus der Reihenschaltung in die Parallelschaltung übergeführt werden. Werden jetzt
die beiden umlaufenden Elektroden noch weiter gegeneinander verdreht, so wächst
das Verhältnis der Stromführungs- zur Stromunterbrechungsphase entsprechend der
Verdrehung bis zum Grenzwert unendlich. an.
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Statt daß die beiden gegeneinander zu verdrehenden Elektroden durch
einen gesonderten Elektrolyten schlagen, können auch die beiden Elektroden in ein
gemeinsames Gehäuse eingebaut werden und durch denselben Elektrolyten schlagen.
Dann sind die beiden umlaufenden Elektroden sowohl gegeneinander als gegen das Gehäuse
gut zu isolieren. Die den umlaufenden Elektroden entsprechend zugeordneten ruhenden
Elektroden sind dann miteinander und mit dem gemeinschaftlichen Gehäuse leitend
verbunden. Bei der Reihenschaltung dieses Doppelunterbrechers sind die beiden umlaufenden
Elektroden an je einen der Pole des zu unterbrechenden Stromkreises zu schalten,
während bei der Parallelschaltung die umlaufenden Elektroden an den einen Pol, das
Gehäuse an den anderen Pol des zu unterbrechenden Stromkreises gelegt werden.
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Die umlaufenden Elektroden der beiden synchron laufenden Unterbrecher
können durch Planetengetriebe oder sonst in der Technik zu diesen Zweck verwandte
Mittel gegeneinander verstellt werden.
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Die L'berführung der Unterbrecher aus der Reihen- in die Parallelschaltung
oder umgekehrt kann selbsttätig dadurch .erfolgen, daß in bekannter Weise eine Schaltwalze
zwangsläufig mit der Vorrichtung zur Verdrehung der Elektroden gekuppelt ist.
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In Abb.3 sind P1, P, zwei gleiche elektrolytische Unterbrecher. Die
Elektrode Al des Unterbrechers P1 ist auf der massiven Welle BI befestigt, die mittels
Kugellagers auf der einen Seite in dem Lager Il gelagert und an den Elektromotor
M gekuppelt ist, auf der anderen Seite in ihrer Verlängerung den Schleifring E trägt,
auf dem die Bürste F schleift. Die Elektrode des UnterbnechersP, sitzt auf der über
die Welle B1 geschobenen Hohlwelle B2 und ist mittels Kugellagers in dem LagerbockJ2
gelagert, wodurch sie gleichzeitig das andere Ende der Welle B, stützt. Die Buchse
H ist , in- den Lager lK axial verschiebbar angeordnet. In diese Buchse ist
isoliert ein Kugellager einge-: spannt, an dessen inneren umlaufenden Teil. ein
Zapfen befestigt ist, der gleichzeitig durch einen in die Welle B2 spiralförmig
und einen in die Welle B1 geradlinig geschnittenen Schlitz greift. Die Buchse H
trägt außen eine Verzahnung L, in die das auf der Welle R befindliche Zahnrad N
greift, durch dessen Beeinflussung die Buchse parallel. zur Achse verschoben und
die Verdrehung der Elektroden-l1, A2 gegeneinander bewirkt wird. Die Buchse H ist
ferner durch entsprechende Schienen im Lager I( gegen Drehung um die Achse B2 gesichert.
Auf der Welle R sitzt die Schaltwalze S, die selbsttätig die Umschaltung der Unterbrecher
von der Reihenin die Parallelschaltung und inngekehrt in der entsprechenden Stellung
ausführt. Die Unterbrecher P1, P2 sind isoliert auf der Grundplatte V befestigt,
ebenso sind die Wellen B1, B2 isoliert in den Lagerböcken J1, J2 gelagert
und isoliert mit dem Motor M
gekuppelt. Bei der Hintereinanderschaltung der
beiden Unterbrecher sind die beiden Gehäuse an je einen Pol des zu regelnden, Stromkreises
gelegt. Dann geht der Strom von dem einen Pol dieses Stromkreises über die ruhende
Elektrode des Unterbrechers P1 und dessen Flüssigkeit, über die umlaufende Elektrode
A1 dieses Unterbrechers, durch die leitende Welle B1, über die dicht auf dieser
liegende Hohlwelle B2, über die umlaufende Elektrode A2, durch die Flüssigkeit und
die ruhende Elektrode des Unterbrechers P2 an den anderen Pol des zu unterbrechenden
Stromkreises. In der Parallelschaltung sind der Schleifring E leitend mit dem einen
Pol des zu regelnden Stromkreises, die ruhenden Elektroden der Unterbrecher P1,
P2 mit dem anderen Pol des zu regelnden Stromkreises verbunden. Auf der Schaltwalze
sind zweckmäßig Kurzschlußkontakte vorzusehen, welche bei unendlich klein werdender
Stromunterbrechungsphase die Unterbrecher kurzschließen, so daß dann die Unterbrecher
entlastet sind. Abb. q. zeigt den Umfang der Schaltwalze, in eine Ebene abgewickelt.
Die Umschaltung der Reihen- in die Parallelschaltung geschieht in der Linie V1.
Die jeweilige Schaltung des Reglers geht aus der gezeichneten Stellung der Kontaktfinger
W1, W2, W3 usw. hervor. X1, X! ist das Netz, aus dem der zu regelnde Stromkreis
gespeist wird, Y der zu regelnde Motor.
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Für den Betrieb der Gleichstromapparate mittels Wechselstrom oder
Drehstrom ändert sich die vorstehende Einrichtung nicht wesentlich. Bei Wechselstrom
sind die Elektroden um 18o° gegeneinander versetzt, entsprechend i 36o°, bei Drehstrom
um 6o°, entsprechend
± 120'. Selbstverständlich müssen für jede
Phase des Drehstroms oder für jeden Pol des Gleichstroms i bzW. 2 voneinander isolierte
Elektrolythäder vorgesehen sein, je nachdem, ob die zwei Elektroden einer Phase
in ein gemeinschaftliches oder in zwei getrennte Elektrolythädex tauchen.