DE637014C - Schwungradausgleichseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Kraftanlage, bei der sogenannte Schwungradausgleichsmaschinen oder Puffermaschinen in Anwendung kommen. Eine derartige Maschine umfaßt eine Gleichstrommaschine, die mit einem Schwungrad gekuppelt und derart geschaltet ist, daß das Schwungrad beschleunigt bzw. verzögert wird, um Energie aufzuspeichern bzw. abzugeben, je nachdem die Belastung über oder unter einem bestimmten Werte liegt. Diese Wirkung· wird durch Regelung der Erregung der Gleichstrommaschine erzielt. Schwungradausgleichs- oder Puffermaschinen werden insbesondere in Verbindung mit elektrischen Netzen verwendet, wenn die Belastung durch die angeschlossenen Einrichtungen in weiten Grenzen schwankt. Derartige Maschinen werden z. B. in Verbindung mit Elektromotoren verwandt, die zum Antrieb für Rollgänge, Förderanlagen, Aufzüge u. dgl. dienen, oder zum Ausgleich der Belastung bei elektrischen Bahnanlagen durch Unterstationen. Diese Schwungradmaschinen können auch für Rückarbeit von elekirischen Apparaten und Maschinen, wie "das bei Bahnmotoren z. B. der Fall ist, zur Anwendung kommen.

Es ist bereits eine Schwungradausgleichseinrichtung bekanntgeworden, bei der zu Beginn der Anlaßperiode die Spannung der Schwungradmaschine derjenigen der Steuermaschine entgegengesetzt und gleich groß ist. Die Maschinen arbeiten also beide als Generatoren. Zum Anlassen wird durch einen Schalter die Spannung der Schwungradmaschine auf Null gebracht und dann mit demselben oder einem anderen Schalter derart vergrößert, daß sie sich zur Spannung der Steuermaschine addiert. Um das Schwungrad aufzuladen, ist es notwendig, den Stillstand des Motors abzuwarten, den Leonardkreis zu unterbrechen und die Steuermaschine unmittelbar auf die Schwungradmaschine zu schalten. Die Steuermaschine arbeitet dann als Motor und speichert Energie auf. Für den nächsten Arbeitstakt wird dann dieser Kreis wieder unterbrochen und der normale Leonardkreis wiederhergestellt. Eine derartige Schaltung, die mit Unterbrechung im Leonardkreis arbeitet, ist aber in der Praxis wenig brauchbar. Diese Nachteile werden durch die Erfindung vermieden. Sie besteht darin, daß die mit einer konstanten Gleichstromquelle und mit der Belastung in Reihe geschaltete, mit einem Schwungrad gekuppelte Gleichstrommaschine (Schwungradmaschine) oder ihre Erregermaschine selbsttätig derart erregt wird, daß die von der Schwungradmaschine erzeugte Spannung nach Größe und Richtung der Abweichung der Belastung von einem bestimmten Mittelwert entspricht. Dement-

sprechend erfolgt, wenn die Belastung unter einem bestimmten Wert liegt, die Erregung der Gleichstrommaschine, in' folgendem kur: als Schwungradmaschine bezeichnet, deraj|| daß die Klemmenspannung der Spannung de£ konstanten Stromquelle entgegengeschalt|| ist. Die Schwungradmaschine arbeitet darin" als Motor, beschleunigt das Schwungrad und speichert damit Energie auf. Die von der ίο konstanten Stromquelle gelieferte Energie verteilt sich also auf die Belastung und die Schwungradmaschine. Andererseits, wenn die Belastung oberhalb eines bestimmten Wertes liegt, erfolgt die Erregung derart, daß die Schwungradmaschine die konstante Stromquelle unterstützt. Die Schwungradmaschine arbeitet als Generator, wobei die Energie dem Schwungrad durch Verzögerung desselben entnommen wird. Die gesamte Leistung wird also zum Teil von der konstanten Stromquelle und zum Teil von der Schwungradmaschine aufgebracht. Durch diese Anordnung kann die Belastung des Netzes stets annähernd konstant gehalten werden, unabhängig von Belastungsschwankungen der angeschlossenen Einrichtungen. Außerdem erfolgt die Energiespeicherung und Rücklieferung selbsttätig durch Veränderung der Erregung, ohne daß Schalter oder Relais notwendig sind. Die Wirkung dieser Einrichtung ist dabei schnell, trotzdem aber auch weich. Die erfindungsgemäße Anordnung hat den weiteren Vorteil, daß das von der Schwungradmaschine erzeugte Drehmoment keinen übermäßigen Wert erlangen kann, weil dieses Drehmoment einerseits dem konstanten Ankerstrom und andererseits der Erregung, die infolge der magnetischen Sättigung einen gegebenen Wert nicht überschreiten kann, proportional ist, wenn nämlich das Drehmoment übermäßige Werte annehmen könnte, so bestünde die Gefahr, daß die Kupplung oder die Welle, auf der sich das Schwungrad und die Maschine befinden, zerstört werden könnte. Weiterhin ist bei Anordnungen, bei denen die Schwungradausgkicheeinrichtung gemäß der Erfindung zur Anwendung kommt, keine Grenze gezogen für die Rückgewinnung der Energie aus dem Schwungrad. Diese ist mechanisch von der Hauptstromquelle getrennt, so daß, abgesehen von besonderen Eigenheiten der Maschine, keine untere Grenze für die Geschwindigkeit des Schwungrades gegeben ist. Ein Drittel bis ein Viertel der Höchstgeschwindigkeit wird im allgemeinen als niedrigste Schwungradgeschwindigkeit gewählt werden, so daß in besonderen Fällen die gesamte kinetische Energie zum Ausgleich von Belastungsspitzen verwendet werden kann.

Die "Erregung der Schwungradmaschine umfaßt zwei Feldwicklungen, von denen die eine parallel zur Belastung liegt und gene-,_sratorische Wirkung hat, während die andere ;^φη einem ungefähr gleichbleibendem Strome ■^;ige|peist wird und ein motorisches Dreh- :<TOÖment erzeugt. Die genannten Feldwick-' 'hingen sind so angeordnet, daß sie sich gegenseitig kompensieren, wenn die Belastung einen bestimmten Wert· hat, oberhalb dessen eine Rückarbeit des Schwungrades und unterhalb dessen eine Energiespeicherung im Schwungrad gewünscht wird. Gemäß der Erfindung sind weiterhin Einrichtungen vorgesehen, um eine übermäßige Beschleunigung oder Verzögerung unter eine bestimmte Grenzgeschwindigkeit, wie sie unter bestimmten Bedingungen möglich ist, zu verhindern.

Damit die vom Schwungrad abgegebene oder aufgenommene Leistung bei einer bestimmten Belastung konstant und unabhängig vonGeschwindigkeitsänderungen des Schwungrades ist, ist nach einem weiteren Erfindungsgedanken die Schwungradmaschine derart ausgebildet, daß ihre Erregung, außer in direkter Abhängigkeit von der Belastung, auch in umgekehrter Abhängigkeit von der Drehzahl der Schwungradmaschine erfolgt. Zu diesem Zwecke wird die Schwungradmaschine durch eine Wicklung erregt, die an den Sekundärbürsten einer Metadyneerregermaschine liegt, welche fest mit dem Schwungrad gekuppelt ist und deren Primärbürsten an einer Spannung liegen, die den Abweichungen der Belastung von jenem Wert proportional ist. Unterhalb dieses Wertes wird die .Energie vom Schwungrad gespeichert und oberhalb vom Schwungrad entnommen. Die Primärbürsten der Metadyne können auch an einer annähernd konstanten Spannung liegen, und die Metadyne oder die Schwungradmaschine kann mit einer Erregerwicklung versehen sein. Diese liegt parallel zu der Belastung, wodurch man eine Erregung erzielt, die den Änderungen der Belastung von dem genaimten Mittelwert entspricht.

Unter einer Metadyne versteht man eine Maschine, die im wesentlichen wie eine Gleichstromdynamo gebaut ist. Sie besitzt einen bewickelten Anker und einen mitunter auch mehrere Kommutatoren. Die einfachste Ausführung weist zwei Paar Bürsten auf. Das eine Bürstenpaar, die Primärbürsten, führt dem Anker den Erregerstrom zu. Dem anderen Bürstenpaar, den Sekundärbürsten, wird der Strom entnommen. Der im Anker erzeugte magnetische Fluß schließt sich über den Ständer, der aus diesem Grunde einen kleinen magnetischen Widerstand hat. Der Ständer kann mit Wicklungen versehen sein, die zur Regelung der elektrischen und mecha-

nischen Wirkungsweise der Maschine dienen. Damit die Schwungradausgleichseinrichtung innerhalb bestimmter Lastschwankungen nicht anspricht, sondern nur dazu dient, um Belastungsspitzen vom Netz fernzuhalten, wird erfindungsgemäß die Erregung der Schwungradmaschine derart gehalten, daß die der Belastung proportionale Erregung nur in Wirkung tritt, wenn die Belastung

ίο jene Grenze überschreitet. Diese Erregung umfaßt eine Feldwicklung, die parallel zur Belastung liegt, und eine, die dieser entgegenwirkt. Diese liegt am Anker einer Erregermaschine, deren Erregerwicklung parallel zur Last angeordnet ist, wobei die magnetische Sättigung der Erregermaschine eintritt, sobald die Belastung die geforderten Grenzen überschreitet. Man kann auch eine gesättigte und eine im Verhältnis dazu ungesättigte Erregermaschine, die beide entsprechend der Belastung erregt werden, in Reihe mit der Erregerwicklung der Schwungradmaschine anordnen. Hierbei werden die beiden Erregermaschinen gegengeschaltet oder eine der im folgenden näher beschriebenen Erregermaschinen verwendet. Für die Verwendung der Schwungradausgleichseinrichtung in Verbindung mit Wechselstromnetzen ist mit dem Schwungrad eine Induktionsmaschine gekuppelt, um eine Rückarbeit über die Schwungradmaschine in der weiter unten angegebenen Weise zu ermöglichen. Eine solche Anordnung ist besonders dann vorteilhaft, wenn die den konstanten Strom liefernde Quelle nicht zur Rückarbeit geeignet ist. Als Induktionsmaschine wird vorzugsweise eine solche mit zwei verschiedenen Geschwindigkeitsstufen benutzt, um das Anlassen der Schwungradausgleichseinrichtung, wie es weiter unten beschrieben wird, durchzuführen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung und zur Erklärung ihrer Wirkungsweise soll nun ein"Beispiel im Zusammenhang mit der Zeichnung besprochen werden, wobei Abb. 1, 3, 4, 6, 7, 8 und 13 Schaltungen verschiedener Ausführungen gemäß der Erfindung zeigen. Die Abb. 2, 5, 9, 10, 11, 12, 14 und 15 sind Diagramme, die zur Erklärung der Wirkungsweise dienen. Abb. 16, 17 und 18 zeigen schematisch die Erregermaschinen, wie sie bei Ausführungen gemäß der Erfindung zur Anwendung kommen. Abb. 19 bringt ein Diagramm zur Erklärung der Wirkungsweise der Erregermaschine nach Abb. 18. Abb. 20, 21 und 22 stellen eine vollständige Einrichtung, wie sie in Förderanlagen und ähnlichen Ausrüstungen verwendet wird, dar, wobei eine Schwungradausgleichsmaschine oder Puffereinrichtung gemäß der Erfindung zur Anwendung gelangt.

In Abb. ι sind eine Reihe von Belastungen 1 in Reihe mit einer konstanten Gleichstromquelle geschaltet. Diese Stromquelle ist beispielsweise ein Metadynegenerator 2 mit 6g einer Primärmaschine3. Die Sekundärbürsten 4 und 5 des Metadynegenerators sind in Reihe geschaltet mit den Belastungen ι und mit dem Anker einer Gleichstrommaschine 6, die mittels der Welle 8 mit einem Schwungrad 7 gekuppelt ist. Die Schwungradmaschine 6 besitzt zwei Erregerwicklungen 9 und 10. Die Wicklung 9 liegt parallel zu den Belastungen 1 und ruft an den Bürsten der Maschine 6 eine generatorische Spannung hervor. Die Wicklung 10 wird vorzugsweise mit einem konstanten Strom, gespeist und erzeugt ein motorisches Drehmoment. Die Wirkung dieser beiden Wicklungen ist derart, daß, wenn die Belastung einen bestimmten Wert, in folgendem als der Normalwert bezeichnet, hat, das resultierende Feld an der Schwungradmaschine Null. wird. Als Normalwert gilt dabei diejenige Belastung, oberhalb deren eine Leistungsabgabe vom Schwungrad und unterhalb deren eine Leistungsspeicherung im Schwungrad gefordert wird. Unter diesen Bedingungen arbeitet also die Schwungradmaschine 6, 7, 8, wenn man Reibung und andere Verluste vernachlässigt, mit konstanter Geschwindigkeit weder als Motor noch als Gerferator. Sobald aber eine Belastungszunahme eintritt, steigt der Spannungsabfall an der Belastung. Damit wird die Wirkung der Wicklung 9 verstärkt. Das Gleichgewicht zwischen den Wicklungen 9 und 10 hört damit auf. An den Bürsten der Schwungradmaschine 6 wird eine Spannung erzeugt, die in der gleichen Richtung wirkt wie die des Metadynegenerators 2. Ein Teil der Energie, die von der Belastung aufgenommen wird, wird damit, wie oben dargelegt, von der Schwungradmaschine gedeckt. Andererseits, wenn die Belastung geringer wird, sinkt die Erregung der Wicklung 9. Damit herrscht die Wirkung der Wicklung 10 vor, und in der Schwungradmaschine wird ein motorisches Drehmoment erzeugt. Die Folge ist, daß das Schwungrad 7 beschleunigt und in ihm Energie gespeichert wird.

Die Wirkungsweise der Maschine ist in dem Diagramm der Abb. 2 näher dargelegt, wobei mit η die Drehzahl der Maschine 6 und mit D das Drehmoment am Anker der Maschine 6 bezeichnet ist. Oberhalb der Linie» sei das Drehmoment motorisch und unterhalb der Linie generatorisch. Die Linie α stellt beispielsweise das Drehmoment dar, wenn die Belastung Null ist. Das motorische Drehmoment, das durch die Wicklung 10 hervorgerufen wird, hat seinen groß-

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ten Wert. Bei einer höheren Belastung, etwa 25°/o des Normalwertes, ist das Drehmoment auch noch motorisch und hat eine Größe/ wie sie etwa durch die Linie ib dargestellt wird. Wenn die Belastung ihren Normalwert erreicht hat, ist die resultierende Wirkung der Wicklungen 9 und 10 Null. Infolgedessen 'herrscht kein Drehmoment an der Maschine 6. . Steigt die Belastung etwa auf So°/₀ über den Normalwert, so tritt ein generatorisches Drehmoment auf, wie es etwa durch die Linien angegeben ist. Wenn die Belastung um 100 °/₀ den Normalwert übersteigt, so erreicht das generatorische Drehmoment etwa die Linie d.

Wenn die beiden Feldwicklungen 9 und 10 so gespeist werden, daß die Maschine 6 unerregt ist, so wird diese, sofern man die Verluste vernachlässigt, mit gleichbleibender Geschwindigkeit weiterlaufen, da das Drehmoment an der Maschine unter diesen Bedingungen Null ist. Wenn jedoch die Belastung unterhalb des Normalwertes Hegt, so ist hinsichtlich der Geschwindigkeit, auf^-die das Schwungrad beschleunigt werden kann, durch die elektrische Schaltung keine Grenze gezogen, weil das Drehmoment unabhängig von der Belastung konstant bleibt, wie das durch die Linien α, b, c und d in Abb. 2 angedeutet ist. Damit kann aber bei anhaltender Unterlast* die Geschwindigkeit der . Schwungradmaschine 6, 7, 8 die für die mechanische Sicherheit zulässige Grenze überschreiten, da ja die Schwungradmaschine ständig beschleunigt wird, solange Unterbelastung vorliegt. Es ist infolgedessen notwendig, durch besondere Einrichtungen zu verhindern, daß die Schwungradmaschine eine gewisse Geschwindigkeit überschreitet. Zu diesem Zweck wird das motorische Drehmoment verringert, sobald das Schwungrad ' sich jenem Grenzwert nähert. Eine Ausführungsform hierfür ist beispielsweise in Abb. 3 dargestellt, wobei Schwungrad, konstante Stromquelle und Belastung nicht eingezeichnet sind. Eine kleine kritisch erregte Maschine 11 ist mechanisch mit der Schwungradmaschine 6 mittels der Welle 12 gekuppelt. Ihre Ankerwicklung ist mit einer dritten Feldwicklung 13 an der Maschine 6 verbunden. Der Generator n ist so ausgeführt, daß seine kritische Geschwindigkeit genau unterhalb der Höchstgeschwindigkeit liegt, die aus Sicherheitsgründen für die Schwungradmaschine zulässig ist. Die kritische Geschwindigkeit ist dabei diejenige, unterhalb der nur eine kleine Spannung erzeugt wird und oberhalb der die erzeugte Spannung verhältnismäßig stark bis zu ihrem normalen Weri; anwächst.

Der Generator 11 ist, wie Abb. 3 zeigt, durch eine Reihenschlußwicklung 14 erregt, obgleich selbstverständlich auch eine Nebenschlußmaschine in Anwendung gelangen könnte. Die Wicklung 13 ist derart ausgeführt, daß sie ein generatorisches oder bremsendes Drehmoment an der Maschine 6 erzeugt. Durch diese Anordnung ist die Wirkung der Wicklung 13 normalerweise Null. Sobald die Geschwindigkeit sich aber der höchst zulässigen nähert, ruft diese Wicklung an der Schwungradmaschine ein bremsendes Drehmoment unabhängig von der Erregung der Feldwicklungen 9 und 10 hervor.

Bei eintretender Überlast wird die in dem Schwungrad/ aufgespeicherte Energie an die Belastung 1 abgegeben. Die Geschwindigkeit der Schwungradmaschine wird dabei auf Null verringert, und schließlich wird diese in umgekehrter Richtung laufen. Da der Ankerstrom dieser Maschine und ihr Feld gleiche Richtung wie zuvor haben, arbeitet die Schwungradmaschine nunmehr als Motor. Eine derartige Wirkung kann auch eintreten, wenn unter Überlastbedingungen die Überlastung der konstanten Stromquelle 2 infolge der Beschleunigung des Schwungrades 7 übertrieben wird.

Aus diesem Grunde ist ein elektrisches Relais vorgesehen. Dieses verringert die resul- 9" tierenden Amperewindungen der genannten Wicklungen auf Null, wenn die Belastung _t größer als der Normalwert ist und die Drehung des Schwungrades mit der verlangten Wirkungsweise nicht übereinstimmt. Als Relais wird vorzugsweise ein elektro-dynamisches verwendet, dessen einer Stromkreis proportional den obenerwähnten resultierenden Amperewindungen und dessen anderer proportional der Spannung an den Bürsten der Schwungradmaschine erregt wird. Das Relais spricht auf das Produkt der genannten Größen an. Sein beweglicher Teil hat zwei Schaltstellungen, in denen die Schwungradmaschine entweder erregt oder unerregt ist entsprechend der Drehrichtung der genannten Maschine.

Um die Zahl der Feldwicklungen an der Schwungradmaschine selbst zu verkleinern, wird diese mit nur einer einzigen Feldwicklung versehen^ Diese wird von einer besonderen· Erregermaschine, die in der oben beschriebenen Weise erregt ist, gespeist. Um hierbei die Maschine möglichst günstig auszunutzen, empfiehlt es sich, die Erregermaschine derart auszulegen, daß bei ihr Sättigung erst eintritt, nachdem die Schwungradmaschine gesättigt ist. Besonders vorteilhaft erweist sich hierbei eine Metadyneerregermaschine. 12a

In Abb. 4 ist eine weitere Abänderung des Erfindungsgedankens dargestellt. Es sind

dabei die besonderen, oben beschriebenen • Einrichtungen zur Begrenzung der Geschwindigkeit, die die Schwungradmaschine erreichen kann, und zur Verhinderung einer Motorwirkung zur unrechten Zeit weggelassen. Die Schwungradmaschine 6 ist eine Metadyne. Ihre Primärbürsten α und c sind in Reihe mit der in Abb. 4 nicht dargestellten konstanten Stromquelle und der ebenfalls in Abb. 4 nicht dargestellten Belastung geschaltet. Die Sekundärbürsten b und d liegen an einer weiteren Feldwicklung 15. Die Ausführung dieser Wicklung ist derart, daß sie unter Motorbedingungen einen magnetischen Fluß erzeugt, der dem der anderen Feldwicklungen 9 und 10, die entsprechend Abb. ι angeordnet sind, entgegenwirkt. Dadurch nimmt mit wachsender Geschwindigkeit der Schwungradmaschine 6 das in ihr erzeugte Drehmoment ab.

Die Wirkungsweise der in Abb. 4 dargestellten Anordnung ist aus dem Diagramm der Abb. 5 ersichtlich. Über der Drehzahl η ist das Drehmoment D, das im Anker 6 der Metadyne erzeugt wird, aufgetragen." Die Kurve b entspricht normaler Belastung, die durch den Wert der Amperewindungen der Wicklung 10 bestimmt ist. Sie kann als die normale Charakteristik der Maschine angesehen werden. Die Kurve α entspricht dann einer Belastung unterhalb des normalen Wertes, während die Kurven c und d Überlastungen entsprechen.

Man erkennt hieraus, daß durch diese An-Ordnung unter bestimmten Bedingungen die höchste Geschwindigkeit des Schwungrades durch die der Maschine eigentümliche Wirkung begrenzt ist. Bei Unterbelastung kann das Schwungrad, wie aus den entsprechenden Kurven ersichtlich ist, höchstens bis zu solchen Geschwindigkeiten beschleunigt werden, bei denen die Kurven die Abszissenachse schneiden. Ein weiterer Anstieg ist dadurch verhindert, daß eine Bremswirkung eintritt.

In ähnlicher Weise ist eine Verzögerung bei Überbelastung, wie das aus den Kurven c und d ersichtlich ist, nur bis zu solchen Geschwindigkeitswerten möglich, wo die entsprechenden Kurven die Abszissenachse schneiden. Bei kleineren Geschwindigkeiten würde unter den gegebenen Bedingungen ein motorisches Drehmoment auftreten.

Nun hat in einem Konstantstromsystem die Belastung gegebene Höchst- und Mindestwerte. Die Höchstspannung, die den angeschlossenen Einrichtungen zugeführt werden kann, ist begrenzt, z. B. infolge der magnetischen Sättigung. Die Einrichtungen müssen daher derart ausgeführt sein, daß der Grenzwert der Erregung an der Schwungradmaschine in diesen Grenzfällen derart ist, daß bei der Grenzgeschwindigkeit des Schwungrades das erzeugte Drehmoment Null ist. Mit der in Abb. 4 dargestellten Einrichtung würde die Höchstlast" durch die Kurve d der Abb. 5 erreichbar sein, da diese Kurve die Abszissenachse im Nullpunkt schneidet. Die kleinste Last entspricht der Kurve e, welche die Abszissenachse bei einer Geschwindigkeit schneidet, die von der Schwungradmaschine aus Sicherheitsgründen nicht überschritten werden darf.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist in Abb. 6 dargestellt. Die Schwungradmaschine 6 ist wiederum eine Metadynemaschine. Ihre Sekundärbürsten b und d liegen in Reihe mit der konstanten Stromquelle. Die Primärbürsten α und c sind mit den Bürsten einer zweiten Maschine 16 verbunden. Diese ist eine normale Gleichstrommaschine mit einem einzigen Bürstensatz. Sie ist mechanisch mit der Maschine 6 gekuppelt, so daß ihre Drehzahlen einander proportional sind. Die Maschine 16 ist mit Feldwicklungen 9 und 10 versehen, die ähnlich wie diejenigen in Abb. I und 3 angeordnet sind. Die Metadyne ist bestrebt, den durch sie fließenden Strom auf einem Wert zu halten, der proportional mit der den Primärbürsten aufgedrückten Spannung und umgekehrt proportional mit der Drehzahl der Metadyne sich verändert. · Da nun die den Primärbürsten aufgedrückte Spannung diejenige der Erregermaschine 16 ist und die Drehzahl dieser Maschine sich mit der der Metadyne verändert, wird bei einer gegebenen Erregung der Maschine 16 der Sekundärstrom konstant gehalten, unabhängig von der Drehzahl der Welle 8. Die Wicklungeng und 10 bewirken eine Änderung der von der Maschine 16 erzeugten Spannung in Übereinstimmung mit den Abweichungen der Belastung vom normalen Wert. Bei Normal-last ist die Maschine 16 unerregt, so daß die Metadyne 6 in dem Hauptkreis keine Spannung hervorruft. Sobald eine Änderung der Belastung eintritt, erzeugt die Metadyne eine derartige Spannung, daß die Belastung der in Abb. 6 nicht dargestellten Stromquelle konstant gehalten wird. Da diese Spannung unabhängig von der Drehzahl der Welle 8 ist, verändert sich die von der Schwungradmaschine abgegebene Leistung nicht mit der Drehzahl. Bei einer gegebenen Belastung erfolgt also Energiespeicherung oder Rückgabe durch das Schwungrad in einer konstanten Weise unabhängig von der Drehzahl. Mit den oben beschriebenen Hilfsmitteln kann man sowohl verhindern, daß die Drehzahl des Schwungrades den höchst zulässigen Wert überschreitet, als auch, daß eine unrichtige Wirkung, wie sie oben angegeben wurde, eintreten kann.

In Abb. 6 wirkt die Metadyne als Metadyneumformer. Die Energie, im Sekundärkreis wird dabei durch die Maschine 16 erzeugt. Um die Ausführung der Erreger-S maschine 16 zu vereinfachen, wird die Abänderung, wie sie durch Abb. 7 dargestellt ist, ; vorgenommen. Die Metadynemaschine ist mit einer Feldwicklung 17 versehen, die vom Primärstram der Metadyneo durchflossen wird und derart angeordnet ist, daß in der Metadyne ein Fluß entsteht, der den unterstützt, welcher vom Primärstrom im Anker der Metadyne hervorgerufen wird. Hierdurch wird eine Verringerung des Primärstr'omes in der Metadyne erreicht. Außerdem wird die Maschine 16 verkleinert, da die Energie im Sekundärkreis durch mechanische Übertragung hervorgerufen wird. Weiterhin kann man die Feldwicklung, die eine Erregung entsprechend der Belastung erzeugt, anstatt auf der Erregermaschine 16 auf der Metadyne anordnen. Eine solche Anordnung ist in Abb. 8 beispielsweise dargestellt. Der Metadyneanker 6 ist entsprechend den vorher- «5 gehenden Abbildungen ausgebildet, und die Bürsten b und d sind in Reihe mit der konstanten Stromquelle und der Belastung, die beide nicht dargestellt sind, angeordnet. Die Bürsten der Maschine 16 sind in gleicher Weise, wie oben beschrieben, mit den Primärbürsten α und c der Metadyne verbunden. Die Feldwicklung 17' der Maschine 16 wird in einer geeigneten Weise konstant erregt. In Richtung der Sekundärachse der Metadyne ist eine sekundäre Wicklung 18 angeordnet. Diese wird entsprechend der Spannung an der Belastung gespeist und stimmt mit der Wicklung 9 der vorherigen Abbildungen überein: In dem Ausführungsbeispiel der Abb. 8 ist der Stator 19 der Metadyne . mit einem hohen magnetischen Widerstand durch Einfügen unmagnetischer oder magnetisch schlecht leitender Teile 19«, beispielsweise Bronzestücke, für den Primäifluß ausgeführt, wobei die von der Erregermaschine 16 geforderte Spannung nur einen kleinen Wert hat. Diese Luftstrecken verursachen im Sekundärkreis der Metadyne eine Generatorwirkung. Mit dieser Einrichtung ist ein Lastausgleich möglich wie bei Ausführungen nach Abb. 6 und 7, da die Erregerspannung und die Primärspannung der Metadyne bei allen Geschwindigkeiten, solange der Belastungsstrom, nämlich der Strom zwischen den Bürsten b und d, konstant ist, sich ausgleichen.

Gemäß der Erfindung können ferner bei Ausführungen, wie sie in Abb. 6, 7 und 8 dargestellt sind, die besonderen Feldwicklungen, die entsprechend der Belastung gespeist werden, wegbleiben. In bestimmten Fällen sind nämlich nicht alle Feldwicklungen notwendig, da die geforderte Regelung · durch die Erregung, welche durch die Ankerwicklung der Metadyne infolge des sie durchfließenden Sekundärstromes erzeugt wird, erfolgt. Eine derartige Regelung wird in folgender Weise erreicht.

Wir nehmen an, daß die Belastung und damit die Spannung an der nicht dargestellten Belastung zunehme, da das System ein Konstantstromsystem ist. Gleichzeitig wird der Belastungsstrom etwas abnehmen. Infolge der Wirkung der Metadyne 6 wird von der Maschine 16 über die Bürsten α und c ein beträchtlicher Strom fließen. Dieser Strom ruft an den Sekundärbürsten der Metadyne eine Spannung hervor, die eine derartige Richtung hat, daß die konstante Stromquelle unterstützt wird. Durch eine derartige Ausführung wird im allgemeinen zwar kein völlig gleichbleibender Belastungsstrom erzielt; aber der erreichte Ausgleich ist in vielen Fällen völlig ausreichend.

Die Erfindung kann in Verbindung mit entsprechenden Konstantstromquellen verwendet werden, z. B. mit Metadyneumformern oder Generatoren, oder mit Maschinen, die eine Hauptmaschine und eine dazugehörige Erregermaschine umfassen, wobei go die Erregermaschine von dem durch die Hauptmaschine fließenden Strom erregt wird, um so den geforderten konstanten Strom des Hauptgenerators zu erreichen. Man kann auch Quecksilberdampfgleichrichter verwenden, die mit Einrichtungen versehen sind, um den gleichgerichteten Strom konstant zu halten.

In den oben beschriebenen Anwendungen der Erfindung, bei denen eine selbsttätige Regelung vorgesehen ist, wenn die Belastung Spitzen oberhalb und unterhalb eines bestimmten Wertes unterworfen ist, muß von der Stromquelle eine etwas· höhere Leistung aufgebracht werden, als sie jenem Mittelwert entspricht, um die Verluste in der Anordnung zu decken. Die im Schwungrad aufgespeicherte Energie muß entsprechend groß sein, um die Belastungsspitzen ausgleichen zu können. In Abb. 9 ist die Belastung in kW über der Zeit t für einen bestimmten Fall aufgetragen. Die von der Belastung aufgenommene Leistung ist durch die Kurve a dargestellt. Die Kurve b entspricht der Leistung, die von der Hauptstromquelle gedeckt wird und ist im wesentlichen konstant. In Abb. 10 sind die entsprechenden Drehzahlwerte η der Schwungradmaschine über der Zeit t aufgetragen. In manchen Fällen ist es erwünscht, daß die Belastung zwischen gegebenen Grenzen schwanken kann, daß aber Spitzen außerhalb dieser Grenzen vermieden

werden. Ein derartiger Fall ist in der Abb. ii, die grundsätzlich der Abb. 9 entspricht, dargestellt. Die Linie α stellt wiederum die von der Belastung aufgenommene Leistung dar. Es ist dabei angenommen, daß die Belastung zwischen den Grenzen ο und 500 kW schwanken darf. Spitzen außerhalb dieser Werte sollen beseitigt werden. An Stelle der der normalen Leistung entsprechenden Linie, die in Abb. 9 bei 500 kW liegt, erhält man jetzt eine Normalbelastungszone, die die Werte ο bis 500 kW umfaßt. Ihr Mittelwert liegt bei 250 kW und ist durch die Linie η dargestellt. Um die oben dargestellten Forderungen zu erfüllen, ist es unter den Bedingungen der Abb. 11 notwendig, das Schwungrad derart arbeiten zu lassen, daß die vom Netz gelieferter Leistung der Linie b entspricht. Die Drehzahl des Schwungrades entspricht der in Abb. 12 dargestellten Kurve. Es ist hier wiederum die Drehzahl η über der Zeit t für die in Abb. 11 angegebene Arbeitsperiode aufgetragen. In Übereinstimmung mit einem weiteren Erfindungsgedanken ist an der Schwungradmaschine eine Einrichtung vorgesehen, tun diese gegenüber der Belastung unabhängig zu machen, wenn die Belastung innerhalb der geforderten Grenzen liegt. Auch das ist in den Abb. 11 und 12 zwischen ο und 500 kW der Fall. Andererseits soll die Schwungradmaschine in Tätigkeit treten, wenn die Belastung oberhalb 500 kW oder unterhalb der unteren Grenze, d. h. bei generatorischer Last, liegt. Wenn die Belastung innerhalb der genannten Grenzen liegt, muß die Schwungradmaschine bestrebt sein, mit einer Geschwindigkeit zu laufen, die innerhalb der höchsten und niedrigsten Geschwindigkeit des Schwungrades liegt, so daß dieses für den Ausgleich einer neuen Überoder Unterbelastungsspkze vorbereitet .ist. Um die erste Forderung zu erfüllen, erfolgt die Erregung durch eine weitere Feldwicklung, die an den Bürsten einer kleinen Erregermaschine liegt, deren Erregung entsprechend der Belastung erfolgt. Diese beiden Feldwicklungen der Schwungradmaschine wirken einander entgegen, so daß sie sich bei bestimmten Werten der Belastung in ihrer Wirkung aufheben. Sobald die Belastung diese Werte überschreitet, wird infolge entsprechender Ausführung der Erregermaschine diese gesättigt, und die Wirkung der Wicklung, welche parallel zur Belastung liegt, übertrifft die, welche an der Erregermaschine liegt.

LTm die zweite Forderung zu erfüllen, ist die Schwungradmaschine mit einer Feldwicklung versehen, die derartig wirkt, daß diese Maschine mit einer im voraus festgelegten Geschwindigkeit läuft. Das ist beispielsweise in Abb. 13 in Verbindung mit einer Ausführung entsprechend Abb. 4 und den in den Abb. 11 und 12 angegebenen Forderungen dargestellt. Die Hauptstromquelle, die einen konstanten Strom liefert, ist mit den Anschlußpunkten 20 und 21 verbunden und liegt in Reihe mit den Belastungen 1 und der Metadyneschwungradmaschine 6. Die Metadyne 6 ist wie in Abb. 4 mit einer Wicklung 15 versehen, die, wie im Zusammenhang mit Abb. 4 dargelegt, die Wirkung hat, daß die Schwungradmaschine mit einer im voraus bestimmten Geschwindigkeit läuft. 10 ist eine konstant erregte Feldwicklung. Die Erregung der Maschine 6 entsprechend der Belastung erfolgt durch die Wicklung 9 und eine zweite Wicklung g^a, die an den Bürsten der Erregermaschine 22 liegt. Diese Maschine 22 ist beispielsweise durch die Welle 8 von der Schwungradmaschine angetrieben. Der Antrieb kann jedoch in einer anderen Weise erfolgen. Die Erregermaschine 22 besitzt eine Feldwicklung 23, die in Reihe mit der Feldwicklung 9 parallel zu¹ den Belastungen ι liegt. Außerdem ist an dieser Maschine noch eine Feldwicklung 24 angeordnet, die in einer beliebigen Weise gespeist wird, um eine vorzugsweise konstante Er- regungskomponente hervorzurufen. Die Wicklungen 9 und g^a wirken einander entgegen. Die Wirkung der Anordnung ist in Abb. 14 dargestellt. Es sind dabei die Amperewindungen AW über den Erregerstrom / der Wicklungen 23 und 9, deren Strom proportional der Spannung an den Belastungen r ist, aufgetragen. Die von der Wicklung 9 erzeugten Amperewindungen entsprechen für positive und negative Belastungsströme der Linie a. Die von der Maschine 22 erzeugte Spannung und damit die Amperewindungen der Wicklung sind für positive und negative Ströme in der Wicklung 23 durch die Linie b dargestellt. Wenn der Erregerstrom / zwischen den Grenzen I und II liegt, sind die von den Wicklungen 9 und 9° erzeugten Amperewindungen im Gleichgewicht, so daß die Belastung keinen Einfluß auf die Erregung der Maschine 6 hat. Sobald aber die Belastung jene Grenze überschreitet, wird die Erreger- no maschine 22 im Gegensatz zur Maschine 6 gesättigt. Die Erregung entsprechend der Belastung erhält nun das Übergewicht, so daß die von den Wicklungen 9 und g^a in der Maschine 6 erzeugten resultierenden Amperewindüngen der Linie c entsprechen. Durch entsprechende Auslegung der Wicklungen 10 und 24 kann die Amperewindungsachse (Ordinatenachse) in der Abb. 14 in jede beliebige Lage gebracht werden, z. B. in die durch die Linie III dargestellte. Zu diesem Zwecke werden die Wicklungen 10 und 24 derart be-

messen bz\v. erregt, daß sie bei dem durch die Lage der Amperewindungsachse III bestimmten Werte von / gerade die Wirkung der proportional dem Strom/ erregten Wicklungen 9 und 23 kompensieren.

Eine weitere Möglichkeit der oben ausgeführten Einrichtung ist gegeben, wenn man die Erregermaschine derart ausbildet, daß, sofern die Belastung zwischen den oben angegebenen Grenzen liegt, die Erregung durch die Wicklung 9° diejenige durch die Wicklung 9 überwiegt. Das erzeugte Drehmoment ist dann, solange die Belastung in den gegebenen Grenzen liegt, entgegengesetzt demjenigen bei Über- oder Unterschreiten der Last über oder unter den Mittelwert, wodurch die Einrichtung für den Ausgleich der nächsten Spitze vorbereitet wird. Eine derartige Wirkungsweise ist durch die Abb. 15 veranschaulicht. Die Linie α stellt .wiederum die durch die Wicklung 9 erzeugten Amperewindungen dar und die Linie b die durch die Wicklung 9⁰ erzeugten. Der Betrag. der resultierenden Amperewindungen, die durch die Wicklungen 9 und g^a an der Maschine 6 erzeugt werden, ist durch die Linie c dargestellt. Man erkennt, daß innerhalb der Punkte I und II, das sind die Schnittpunkte der Linie c mit der Abszissenachse, die Amperewindungen der Wicklung 9° größer sind als die der Wicklung 9.

Um die Zahl der Feldwicklungen, die an der Schwungradmaschine oder ihrer Erregermaschine notwendig sind, zu verringern, kann nach einem weiteren Gedanken der Erfindung eine einzige im Zusammenhang mit der Belastung stehende Wicklung vorgesehen werden. Diese ist in Reihe mit zwei Erregermaschinen geschaltet, deren beide FeIdwicklungen parallel zur Belastung liegen. Die eine von ihnen ist magnetisch gesättigt, während die andere verhältnismäßig magnetisch ungesättigt ist. Die Wirkungsweise ist ähnlich wie oben beschrieben. In den Abb. 14 und 15 stellt die Linie α die von der ungesättigten Erregermaschine und die Linie b die von der gesättigten Erregermaschine erzeugte Spannung dar, wenn auf der Abszissenachse die Amperewindungen aufgetragen sind. Die Linie c beschreibt dann die - resultierende Spannung und infolgedessen die an der Schwungradmaschine durch die beiden in Reihe geschalteten Erregermaschinen hervorgerufenen Amperewindungen. Diese beiden Erregermaschinen können auch zu einer einzigen Maschine, wie in Abb. 16 dargestellt, vereinigt werden. Diese Erregermaschine umfaßt einen Anker 25, der in einem magnetischen Feldsystem 26 umläuft. Das Magnetsystem besteht aus einem Paar nebeneinanderliegender Pole 27 und 28, die magnetisch gesättigt ausgeführt sind, etwa durch Nuten 29. Außerdem sind zwei nebeneinanderliegende Pole 30 und 31 angeordnet, die magnetisch ungesättigt sind. Die Pole 27, 28, 30 und 31 sind mit Erregerwicklungen versehen, die denen der beiden oben beschriebenen Erregermaschinen entsprechen. Außerdem sind zwei Bürsten 32, 33 angeordnet, die mit der der Belastung entsprechenden Feldwicklung der Schwungradmaschine oder deren Erregermaschine verbunden sind. Selbstverständlich kann die Maschine auch mit einer anderen Polzahl ausgeführt werden. Sie wird vorzugsweise über eine Welle von der Schwungradmaschine angetrieben, wie das bei der Erregermaschine 22 in Abb. 13 der Fall ist. Eine derartige Anordnung arbeitet weicher bei niedrigen Geschwindigkeiten; aber sie hat den Vorfeil, daß alle Maschinen auf einer Welle sitzen. Man wird diese Ausführung im allgemeinen dann nicht anwenden, wenn die Geschwindigkeit, bei der eine derartige weiche Wirkung eintritt, nicht erwünscht ist.

Eine weitere Ausbildung der Maschine, die an die Stelle jener beiden in Reihe geschalteten Erregermaschinen treten soll, geht dahin, daß zwischen den Polkernen und dem Joch Luftstrecken angeordnet sind. Die Polschuhe sind mit dem Joch durch magnetische Teile verbunden, die unter bestimmten Bedingungen magnetisch gesättigt sind. Diese magnetischen Teile bilden einen magnetischen Nebenschluß, so daß der Fluß nicht durch den Anker geht, solange diese Teile ungesättigt sind. Die Maschine erzeugt infolgedessen bis zur Sättigung dieser Teile keine Spannung an ihren Bürsten, so daß die gewünschte Wirkung erzielt ist. Eine derartige Ausführung ist in Abb. 17 an einer zweipoligen Erregermaschine dargestellt. Der Anker ist mit 25 bezeichnet und die Bürsten mit 32 und 33. Die Polschenkel 34 sind vom Joch 35 durch entsprechende Luftstrecken bei 36 getrennt. Die Polschuhe sind mit dem Joch 35 durch entsprechend magnetisch sättigbare Teile 37 verbunden. Die Erregerwicklungen sind im Schnitt dargestellt und mit 38 bezeichnet. Die Wirkungsweise wird im folgenden bei der Beschreibung einer Ausführung nach Abb. 18, die einer Weiterbildung, der Maschine nach Abb. 17 entspricht, näher verständlich werden. In Abb.' 18 ist der magnetische · Streulinienweg durch die Teile 39, welche den Teilen 37 der Abb. 17 entsprechen, dargestellt. Der effektive Querschnitt der magnetischen Teile 39 ist ein bestimmter Teil des Querschnittes der Hauptpole 40. Die Teile 39 sind derart, daß die Luftstrecken im allgemeinen sehr klein sein können.

Der linke Pol in Abb. 18 ist durch die Feldwicklung 41, der rechte Pol durch eine ähnliche Feldwicklung 42 erregt. Luftstrecken sind bei 36 zwischen den Hauptpolen 40 und dem Joch 35 angeordnet. Diese Luftstrecken liegen in dem Kreis des Hauptflusses, welcher durch die mit J2r_m bezeichneten Pfeile dargestellt ist. Die mit -0^ bezeichneten Pfeile stellen den Streufluß dar.

Die Wirkungsweise ist ähnlich wie die der in Abb. 17 dargestellten Erregermaschine. Solange die Teile 39 ungesättigt sind, wird an den Bürsten 32 und 33 nur eine kleine Spannung erzeugt. Sobald jedoch die Streuwege gesättigt sind, arbeitet die Maschine bei weiterem Ansteigen des Flusses wie eine gewöhnliche Maschine. Die Charakteristik ist durch die voll ausgezogene Linie in Abb. 19 dargestellt, in der die Spannung ν über den Amperewindungen der Wicklungen 41 und 42' aufgetragen ist. Es ist daraus ersichtlich, daß die erzeugte Spannung bei bestimmten Werten der erregenden Amperewindungen in positiver und negativer Richtung nur klein ist, während sie außerhalb dieser Werte bis zu beträchtlichen Werten ansteigt.

Um die erzeugte Spannung innerhalb bestimmter Grenzen gleich Null oder negativ zu · machen, werden weitere Wicklungen 43 und 44 aufgebracht, die den Wicklungen 41 und 42 entgegenwirken. Diese Wicklungen rufen in allen Fällen eine negative Spannung an den Bürsten 32 und 33 hervor, so daß die resultierende, mit dem Erregerstrom wechselnde Spannung der durch die gebrochene Linie in Abb. 19 dargestellten entspricht.

Ein besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung sind Fördermotoren und ähnliche Antriebe. Eine derartige Anwendung soll nun an Hand der Abb. 20 beispielsweise beschrieben werden. Die konstante Stromquelle umfaßt einen Metadynegenerator 45, der von einem Motor 46 angetrieben wird. Dieser ist mit dem Netz, das vorzugsweise ein Dreiphasennetz ist, verbunden. Der Motor 46 treibt außerdem den Hilfsgenerator 47. Dieser hat eine Nebenschlußfeldwicklung 48, welche eine im allgemeinen konstante Spannung für den Primärkreis der Metadyne 45 erzeugt. Die Spannung dient außerdem für verschiedene Hilfseinrichtungen, wie aus dem Folgenden hervorgeht. Die Sehwungradmas'chine, deren Anker mit 49 bezeichnet ist, ist eine gewöhnliche Hauptstrommaschine,

d. h. sie hat nur einen Bürstensatz. Sie ist. mit dem Anker des Fördermotors 50 verbunden. Der Fördermotor besitzt eine Feldwicklung 51, die durch eine Regeleinrichtung 52 in Potentiometerschaltung von dem Hilfsnetz 53 und 54 gespeist wird. Die Schwungradmaschine ist mit einer Feldwicklung 55 versehen, die an den Sekundärbürsten b und d einer kleinen Metadyneerregermaschine 56 liegt. Diese wird über die Welle 57 von der Schwungradmas'chine angetrieben. Ihre Primärbürsten α und c sind mit einer Erregermaschine 58 verbunden, welche von dem Motor 46 angetrieben wird. Die Erregermaschine 58 hat zwei Feldwicklungen 59 und 60. Die eine von ihnen liegt parallel zum Anker des Fördermotors 50, die andere über einen regelbaren Widerstand 61 an dem Hilfsnetz 53 und 54. Die beiden Wicklungen 59 und 60 erzeugen ein resultierendes Feld, das nach Größe und Richtung den Abweichungen der Last von ihrem Normalwert entspricht. Die Schwungradmaschine ist, wie oben beschrieben, mit einem kritisch erregten Generator 62 versehen, der mit der Feldwicklung 63 der Maschine 49 verbunden ist, um die Drehzahl der Schwungradmaschine zu begrenzen. Diese ist mit einer weiteren Feldwicklung 64 ausgestattet, die unter dem Einfluß einer drehzahlabhängigen Einrichtung steht und von dem Hilfnetz 53 und 54 gespeist werden kann. Sie erzeugt an der Schwungradmaschine ein motorisches Drehmoment, wenn ihre Drehzahl unter eine bestimmte untere Grenze sinkt. In dem dargestellten Beispiel besteht die drehzahlabhängige Einrichtung aus einem kleinen Generator 65, der über die Welle 57 angetrieben wird. Seine Bürsten sind mit der Wicklung 66 eines Relais verbunden, dessen gewöhnlich geschlossene Kontakte 67 im Kreis der Wicklung 64 liegen. Die Wirkung ist derart, daß, wenn die Drehzahl der Schwungradwelle 57 über einem bestimmten Wert liegt, der Generator 65 das Relais 66, 67 erregt, so daß die Kontakte 67 geöffnet werden. Das Relais 1°° besitzt weiterhin ein Paar gewöhnlich offene Kontakte, die die Verbindung der Primärbürsten der Metadyne 56 mit der Erregermaschine 58 über den Schalter 69 und die Erregerwicklung 70 steuern. Der Motor 46 ist ein Synchronmotor, dessen Feldwicklung 71 von der konstanten Spannung des Hilfsgenerators 47 gespeist wird. Der Leistungsfaktor kann dabei durch Regelung der Erregung beliebig eingestellt werden. no

Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist folgende:

Wie oben ausgeführt ist, ist es möglich, die ganze elektrische Energie in einer Ausführung gemäß der Erfindung zum Ausgleich der Belastungsspitzen zu verwerten. Wenn der Drehzahlbereich des Schwungrades beträchtlich .ist, so bewirkt die der Belastung des Motors proportionale Erregung der Schwungradmaschine, daß in einem bestimmten Augenblick die von dem Schwungrad aufgenommene oder abgegebene Energie propor-

IO

tional der Geschwindigkeit ist, da die JLnergie proportional der Geschwindigkeit des Schwungrades und deren Drehmoment ist Der Metadyneumformer 56 erzeugt an der Feldwicklung 55 eine Spannung, die einerseits der den Primärbürsten α und c aufgedrückten Spannung direkt, der Drehzahl der Welle 57 umgekehrt proportional ist. Auf diese Weise ist die von der Maschine 49 erzeugte Spannung unabhängig von ihrer Drehzahl. Die Spannung an den Bürsten α und c der Erregermaschine 56 entspricht der der Erregermaschine 58. Diese ist infolge der Wirkung der Wicklungen 59 und 60 von der Abweichung der Belastung des Fördermotors 50 von einem Normalwert abhängig. Dadurch wird erreicht, daß die Belastung des Netzes über den ganzen Drehzahlbereich der Schwungradmaschine konstant ist. Das Schwungrad, das wiederum mit 7 bezeichnet ist, speichert die Energie und gibt sie wieder zurück,, um so den notwendigen Ausgleich zu bewirken. Die Wirkung der Einrichtung nach Abb. 20 ist sehr einfach, da die verschiedenen Maschinen infolge der ihnen eigenen Charakteristiken im wesentlichen selbsttätig arbeiten. Beim Anlassen ist der Kreis der Primärbürsten a, c. der Metadyne 45 durch den Schalter 72 unterbrochen. Der Motorgenerator 46-45 läuft infolgedessen unbelastet an. Die Spannung der Hilfsmaschine 47 steigt bis zu ihrem normalen Wert an und speist das Hilfsnetz 53, 54 und die angeschlossenen : Kreise. Sobald die Kontakte des Schalters 72 geschlossen werden, fließt über die Sekundärbürsten b und d und durch die Anker 50 und 49 ein konstanter Strom. In der Schwungradmaschine und dem Fördermotor wird noch kein Drehmoment erzeugt, da ihre Feldwicklungen unerregt sind. In manchen Fällen empfiehlt es sich, Schalter vorzusehen, die diese beiden Maschinen während des Anlassens kurzschließen. Um den Schwungradsatz in Bewegung zu setzen, wird der .Schalter 73 geschlossen, der das Relais 66, 67, 68 steuert. In der Schwungradmaschine entsteht ein mqtorisches Feld,, da die Wicklung 64 erregt wird. Die Schwungradmaschine 49 beginnt zu laufen und beschleunigt das Schwungrad. Sobald die Drehzahl der Welle 57 einen bestimmten Wert erreicht, zieht das Relais 66 an und öffnet die Kontakte 67. Die Feldwicklung 64 wird abgeschaltet. Gleichzeitig wird mit dem Schließen der Kontakte 68 die Wicklung 70 erregt. Die Kontakte 69 werden geschlossen und verbinden die Metadyneerregermaschine mit der Erregermaschine 58. Damit sind die normalen Arbeitsbedingungen erreicht. Angenommen, der Fördermotor sei unbelastet, so wird die Schwungradmaschine von der Erregermaschine56 voll erregt, und zwar derart, daß ein motorisches Drehmoment entsteht. Die Belastung des Motorgeneratorsatzes 46-45 stellt sich auf den Mittel- oder Normalwert ein. Wenn das Schwungrad eine bestimmte Drehzahl erreicht hat, so kann die Förderarbeit beginnen.

Der Fördermotor wird durch den Potentiometerr'egler 52 gesteuert. Belastungsspitzen werden von der Schwungradmaschine 49 aufgenommen,-wie das im vorstehenden ausführlich beschrieben wurde.

Bei einer bestimmten Stellung des Potentiometerreglers 52 stellt sich ein bestimmtes Drehmoment am Fördermotor ein. Es ist infolgedessen auch bei unsachgemäßer Bedienung dieses Reglers unmöglich, den Fördermotor zu übersteuern, große Belastungsspitzen zu erzeugen oder das Netz zu überlasten. Um eine gleichmäßige Beschleunigung bis zum Höchstwert zu erreichen, ist es nur notwendig, den Regler in die entsprechende Stellung zu bringen. Der Feldaufbau im Fördermotor bewirkt eine entsprechende Drehmomententwicklung bis zu einem konstanten Wert. Man erhält eine gleichbleibende Beschleunigung, ohne Schalthebel und besondere Sachkenntnis und Fertigkeit des Bedienungspersonals. In bestimmten Fällen soll der Fördermotor als Generator arbeiten. Die Rückarbeit wird dann im Schwungrad 7 aufgespeichert, bis dieses seine höchstzulässige Drehzahl erreicht. Alsdann erfolgt Rückarbeit über den Motorgenerator 45, 46 auf das Netz. Soll andererseits keine Rückarbeit durch den Motorgenerator eintreten, so· muß durch 'eine Bremse oder andere Hilfsmittel, die überschüssige Energie vernichtet werden. Die nonnale Belastung der Anordnung kann durch den Regelwiderstand 61 'eingestellt werden.

Eine Weiterbildung ist in Abb. 21 dargestellt. An Stelle des Motorgenerators der Abb. 20 wird die konstante Stromquelle von einem Quecksilberdampfgleichrichter 74 gebildet. Dieser wird durch entsprechende Einrichtungen derart geregelt, daß gleichstrom- ' seitig ein konstanter Strom fließt. Hierzu dient beispielsweise eine Einrichtung bekannter Art, die mit 75 bezeichnet ist. Sie liegt parallel zu dem Widerstand 76 und wirkt in Abhängigkeit des auf der Gleichstromseite fließenden Stromes auf Gitter des Gleichrichters ein. Ein Wechselstrom, dessen Phasenlage in Beziehung zu dem den Gleichrichteranoden zugeführten Wechselstrom steht, wird in Abhängigkeit von den Stromänderungen auf der Gleichstromseite des Gleichrichters geregelt. Es sei betont, daß bei einer Ausführung, wie sie in Abb. 20 dargestellt ist, die Leistung des Netzes und infolgedessen auch die Spannung des Netzes

konstant ist. Damit behält auch die Spannung an den Bürsten.b und d der Metadyne 45 in Abb. 20 im allgemeinen einen gleichbleibenden Wert. Dementsprechend hat bei der Ausführung nach Abb. 21 die Gittersteuerung nur die Aufgabe, kleine Spannungsabweichungen etwa unterhalb 10% auszugleichen. Damit kann der Leistungsfaktor und die Welligkeit des Gleichstromes leicht konstant gehalten werden. Bei der Ausführung nach Abb. 21 dient ein kleiner Hilfsgenerator JJ für die konstante Erregung und für die Speisung des Hilfsnetzes. Er wird von dem an das Wechselstromnetz angeschlossenen Motor 78 angetrieben. Die grundsätzliche Wirkung des Fördermotors 50, der Schwungradmaschine 49, der Erregereinrichtungen der Maschinen 50 und 49 sind ähnlich wie bei der Ausführung nach Abb. 20.

Eine Metadyneerregermaschine 56 speist eine Wicklung 55 an der Schwungradmaschine 49. Die Primärbürsten dieser Erregermaschine sind mit einer Erregermaschine 58 verbunden, die von dem Motor 78 angetrieben wird und zwei Erregerwicklungen Sg und 60 besitzt, die denen in Abb. 20 entsprechen. Der Regelwiderstand 61 zum Einstellen des Normalwertes ist in Reihe mit der Wicklung 59 anstatt in Reihe mit der Wicklung 60 geschaltet. Um den Strom im Hauptstromkreis konstant zu halten und weiterhin die Wirkung der Gittersteuerung zu erleichtern, ist ein Kohledruckregler 79 in Reihe mit der Wicklung 60 geschaltet. Die Arbeitswicklung 80 dieses Reglers 79 liegt an dem Widerstand 76. Wenn die Wirkung der Einrichtung nicht einwandfrei ist oder die Schwungradmaschine nicht die Unterschiede zwischen der Spannung an der Belastung und am Gleichrichter ausgleicht, ist der Strom bestrebt, anzusteigen oder abzunehmen. Infolgedessen wird die Wirkung der Gittersteuereinrichtung durch den Kohledruckregler 79, 80 unterstützt, da

♦5 der Widerstand des Kohledruckreglers abnimmt oder zunimmt und damit die Erregung und die erzeugte Spannung an der Schwungradmaschine 49 zu- oder abnimmt. Abb. 21 zeigt eine weitere Möglichkeit gemäß der Erfindung. Bei geringer Belastung oder Rückarbeit in das Netz, wird ein Induktionsmotor 81 mechanisch über eine Welle mit der Schwungradmaschine gekuppelt. Der Induktionsmotor 81 kann mit seiner Primärwicklung an ein Wechselstromnetz 82 angeschaltet werden. Hierzu dient ein Relais 83, 84, das in Abhängigkeit vom Spannungsaufbau in der Maschine 62 arbeitet und infolgedessen drehzahlabhängig ist. Es kann auch eine beliebige andere drehzahlabhängige Einrichtung an Stelle des Relais 83, 84 mit der Maschine

62 verbunden werden. Die Wicklung 83 des Relais liegt an der Maschine 62 und betätigt die Kontakte 84, die mit der Erregerwicklung 85 des Schalters 86 an einem Hilfsnetz 87 liegen. Der Kreis der Wicklung 85 enthält auch die Kontakte 88 eines Leistungsrelais, dessen Zweck weiter unten klar werden wird. Wenn das Schwungrad seine höchste Drehzahl erreicht, so wird es nicht mehr weiter beschleunigt, sondern die Energie wird zu dem Netz 82 über den Induktionsmotor 81 zurückgeliefert. Das Leistungsrelais 88, 89, das als Rückstromschütz arbeitet, bewirkt ein Öffnen des Schalters 86 und damit eine Trennung des Induktionsmotors von dem Netz, sobald der Energiefluß die umgekehrte Richtung vom Netz annimmt.

Der Induktionsmotor 81 kann auch zum Anlassen der Schwungradmaschine benutzt werden, um eine Drehzahl aufrechtzuerhalten, die unterhalb eines bestimmten Wertes liegt, etwa bei anhaltender Überlastung. Zu diesem Zwecke ist der Induktionsmotor in Abb. 21 polumschaltbar ausgeführt. Die untere synchrone Drehzahl beträgt dabei etwa Y₃ der höchsten Drehzahl der Schwungradmaschine. Die Verbindungen für die niedrige Drehzahl werden durch den Schalter 90 bewirkt, der von einer drehzahlabhängigen Einrichtung gesteuert wird. Diese umfaßt einen Generator 91, ein Relais 92 und ein Rückstromrelais, das ein Schaltglied 93 und Kontakte 94 besitzt. Die Kontakte 92« und 94 steuern die Erregung der Wicklung 95 des Schalters 90. Das Rückstromrelais 93, 94 ist derart ausgeführt, daß bei kleinen Drehzahlen der Motor 81 vom Netz 82 getrennt wird, sofern der Energiefluß vom Motor zum Netz gerichtet ist. Beim Anlassen wird die Schwungradmaschine von dem Induktionsmotor bei eingestellter niedriger Drehzahl angetrieben. Der Gleichstromkreis des Gleichrichters 74 ist zu dieser Zeit noch unterbrochen, was durch die Gittersteuerungseinrichtung 75 oder einen besonderen Schalter 96 möglich ist. Die Erregung der Wicklung

63 der Schwungradmaschine 49 ist derart, daß ihre Spannung bis zu einem Betrag ansteigt, der gleich der des Gleichrichters und dieser entgegengesetzt ist. Infolgedessen entsteht keine resultierende Spannung im Hauptstromkreis. Wenn der Schalter 96 geschlössen oder die Gittersteuerungseinrichtung in Tätigkeit tritt, so nimmt der Strom im Haupt-Stromkreis einen Wert an, der der. Stellung der Gittersteuerungseinrichtung und des Kohledruckreglers 79, 80 entspricht. In diesem Falle wird durch den Gleichrichter die Normalleistung über den Induktionsmotor 81, dessen Wicklung auf niedrige Drehzahl geschaltet ist, in das Netz 82 geliefert. In-

folge des Rückstromrelais 93, 94 wird der I Anschluß des Induktionsmotors sofort unterbrochen. Alsdann wird die Schwungradmaschine 49 erregt, um das Schwungrad 7 zu beschleunigen. Sobald die Grenzdrehzahl erreicht ist, bewirkt der Generator 62 über die Wicklung 63, daß das Motor drehmoment verkleinert wird. Der Strom im Hauptkreis ist bestrebt anzusteigen, wird jedoch durch die Gitter steuerungseinrichtung 75 daran gehindert. Sobald ein bestimmter Wert. erreicht ist, werden die Kontakte 84 geschlossen und legen die für die hohe Drehzahl bestimmte Wicklung des Induktionsmotors· 81 über den »5 Schalter 86 an das Netz 82, so daß nun über diesen Kreis Rückarbeit erfolgt. Die Größe der Rückarbeit ist dabei völlig ausreichend, um mittels der Gittersteuerungseinrichtung den Gleichrichter voll auszusteuern, so daß die volle Leistung zwischen dem Gleichrichter 74 und dem Netz 82 fließt.

Im allgemeinen wird es nicht häufig vorkommen, daß der Induktionsmotor 81 in Tätigkeit tritt, da das Anlassen nicht sehr oft erfolgt. Andererseits, wenn häufig geringe Belastung gegeben ist, ist es· erforderlich, Einrichtungen vorzusehen, die den Gleichrichter 74 abschalten, so daß der Energiekreislauf unterbrochen wird. Abb. 22 zeigt noch eine weitere Ausbildung des Erfindungsgedankens, die im wesentlichen der der Abb. 21 ähnlich ist. Der Strom im Hauptkreis wird durch die regelnde Wirkung im Sekundärkreis einer verhältnismäßig kleinen Metadynemaschine 97 konstant gehalten. Die Sekundärbürsten, b und d dieser Maschine liegen in Reihe mit dem Hauptkreis. Die Primärbürsten α und c sind mit einer Quelle konstanter Spannung, z. B. einer Akkumulatorenbatterie 98 oder einem Generator, verbunden. Die Batterie 98 liefert eine konstante Spannung für die Erregung und für ) die Regeleinrichtungen und ersetzt somit den Generator JJ der Abb. 21. Da die dem • 4-5 'Schwungrad eigene Charakteristik im allgemeinen einen Ausgleich der elektromotorischen Kräfte im Hauptkreis sicherstellt, kann die Metadyne 97 im allgemeinen für kleine Spannungen ausgelegt werden. Die Erreger-So maschine 58 der Abb. 22 wird mit einer weiteren Feldwicklung 99 versehen, die an den Bürsten b und d der Metadyne 97 liegt. Diese Wicklung hat die gleiche Wirkung wie der Kohledruckregler der Abb. 21. Sie gleicht das mangelnde Gleichgewicht in der Belastung aus, indem eine positive oder negative Erregung an der Schwungradmaschine je nach der Richtung der Spannung an den Sekundärbürsten der Metadyne 97 erfolgt. Die Wirkungsweise und der Änlaßvorgang ist der gleiche wie bei der Ausführung nach Abb. 21.

Claims (21)

1. Patentansprüche:

   ι. Schwungradausgleichseinrichtung, bestehend aus einer konstanten Gleichstromquelle und einer mit einem Schwungrad gekuppelten Gleichstrommaschine (Schwungradmaschine), die .beide mit der Belastung in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungradmaschine oder ihre Erregermaschine selbsttätig derart erregt wird, daß die von der Schwungradmaschine erzeugte Spannung nach Größe und Richtung der Abweichung der Belastung von einem bestimmten Mittelwert entspricht.
2. 2. Schwungradausgleichseinrichtungnach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungradmaschine (6) mit zwei Feldwicklungen (9, 10) versehen ist, von denen die eine (9) parallel zur Belastung liegt und ein generatorisches Drehmoment entwickelt, während die andere (10) im wesentlichen konstant erregt ist und ein motorisches Drehmoment erzeugt.
3. 3. Schwungradausgleichseinrichtungnach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwungrad mit'einer drehzahlabhängigen Einrichtung verbunden ist, die eine Feldwicklung (13) der Schwungradmaschine (6) speist und eine Verringerung des motorischen Drehmomentes bewirkt, sobald die Drehzahl der Schwungradmaschine sich dem höchst zulässigen Wert nähert.
4. 4. Schwungradausgleichseinrichtungnach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als drehzahlabhängige Einrichtung ein kritisch erregter Generator (11) dient, dessen kritische Drehzahl der für die Schwungradmaschine höchst zulässigen Drehzahl entspricht.
5. 5. Schwungradausgleichseinrichtungnach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der Belastung und der von der Schwungradmaschine erzeugten Spannung abhängiges Relais auf die Erregung dieser Maschine derart einwirkt, daß sich ihre Drehrichtung nicht umkehren kann, wenn die Belastung größer als der Normalwert und die erzeugte Spannung der der konstanten Stromquelle entgegengesetzt ist.
6. 6. S chwungradausgleichseinrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit einem drehzahlabhängigen Generator (65) verbundene Wicklung (66) eines Relais bei einer bestimmten unteren Geschwindigkeitsgrenze der Schwungradmaschine (49) das Schließen von Kontakten (67) bewirkt, wodurch eine Feldwicklung (64) der Schwungradmaschine

   erregt wird, die ein motorisches Drehmoment erzeugt.
7. 7. Schwungradausgleichseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichzeichnet, daß die Schwungradmaschine eine Metadyne (6) ist, deren Primärbürsten (a, c) in Reihe mit der konstanten Stromquelle und der Belastung liegen und deren Sekundärbürsten Qj₁ d) mit einer Feldwicklung (15) verbunden sind, welche unter Motorbedingungen in der Metadyne einen magnetischen Fluß erzeugt, der dem der Wicklungen (9, 10), welche eine Erregung in Übereinstimmung mit der Last bewirken, entgegengesetzt ist, so daß mit zunehmender Drehzahl der Schwungradmaschine das von ihr erzeugte Drehmoment abnimmt.
8. 8. Schwungradausgleichseinrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungradmaschine eine Metadyne (6) ist, deren Sekundärbürsten (b, d) mit der konstanten Stromquelle in Reihe liegen und deren Primärbürsten (a, c) mit den Bürsten einer von der Schwungradmaschine angetriebenen Gleichstrommaschine (16) verbunden sind.
9. 9. Schwungradausgleichseinrichtungnach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß statt der Schwungradmaschine (6) die zweite Gleichstrommaschine (16) mit Feldwicklungen (9,10) versehen ist, von denen die eine (9) parallel zur Belastung liegt und ein generatorisches Drehmoment entwickelt, während die andere (10) im wesentlichen konstant erregt ist und ein motorisches Drehmoment erzeugt.
10. 10. Schwungradausgleichseinrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungradmaschine über die Sekundärbürsten einer Metadyne, welche mit dem Schwungrad mechanisch gekuppelt ist, erregt wird und daß die Metadyne mit einer Erregerwicklung versehen ist, die parallel zur Belastung liegt und dazu dient, den Sekundärstrom der Metadyne in Übereinstimmung mit den Abweichungendes tatsächlichen, von einem im voraus festgelegten Wert zu halten.
11. 11. Schwungradausgleichseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärbürsten (a, c) der Metadyne (56) an einer Erregermaschine

    (58) liegen, deren eine Feldwicklung (60) konstant erregt ist, während die zweite

    (59) parallel zur Belastung liegt.
12. 12. Schwungradausgleichseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärbürsten der Metadyne an einer im wesentlichen konstanten Spannung liegen und daß die Schwungradmaschine einerseits durch eine Wicklung, die parallel zur Belastung liegt, und andererseits von einer im wesentlichen von einem konstanten Strom durchflossenen Wicklung erregt wird.
13. 13. Sdiwungradausgleichseinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungradmaschine (6) durch zwei einander entgegenwirkende Feldwicklungen (9, g^a) erregt wird, von denen die eine (9) parallel zur Belastung (1) geschaltet ist und die andere (9°) an einer Erregermaschine (22) liegt, deren Erregerwicklung (23) parallel zur Belastung (1) geschaltet ist und die bei denjenigen Belastungswerten, die außerhalb einer bestimmten Grenze liegen, gesättigt ist.
14. 14. Schwungradausgleichseinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungradmaschine oder ihre Erregermaschine mittels einer Feldwicklung erregt ist, die in Reihe mit zwei einander entgegenwirkenden Erregermaschinen liegt, von denen die eine mit hoher magnetischer Sättigung und die andere mit verhältnismäßig niedriger magnetischer Sättigung ausgeführt ist und deren beide Feldwicklungen parallel zur Belastung liegen.
15. 15. S chwungradausgleichseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden in Reihe geschalteten Erregermaschinen zu einer einzigen Maschine mit magnetisch stark und schwach gesättigten Polen vereinigt sind (Abb. 16).
16. 16. S chwungradausgleichseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden in Reihe geschalteten Erregermaschinen zu einer einzigen Maschine vereinigt sind, deren Polkerne durch einen Luftspalt vom Joch getrennt und deren Polschuhe magnetisch leitend mit dem Joch über Streupfade verbunden sind, wobei die magnetische Sättigung dieser Streupfade bei solchen Werten des Erregerstromes eintritt, die den Werten entsprechen, außerhalb deren die Ausgleichseinrichtung in Tätigkeit treten soll (Abb. 17, 18).
17. 17. Schwungradausgleichseinrichtung nach Anspruch 1 bis 16 in Verbindung mit Wechselstromnetzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungradmaschine (49) in Reihe mit einem gittergesteuerten Quecksilberdampfgleichrichter (74) geschaltet ist, dessen Gittersteuerung derart betätigt wird, daß der gleichgerichtete Strom einen im wesentlichen konstanten Wert hat.
18. 18. Schwungradausgleichseinrichtung

    nach Anspruch,Vj_K dadurch gekennzeichnet, daß' die Schwungradmaschine (49) oder ihre Erregermaschine (58) mit einer Feldwicklung (60) versehen ist, deren Strom von einem Kohledruckregler (79, 80) in Abhängigkeit vom. gleichgerichteten Strom geregelt wird.
19. 19. Schwungradausgleichseinrichtung nach Anspruch 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Schwungradmaschine (49) ein Induktionsmotor (81) mechanisch gekuppelt ist, der mittels eines drehzahlabhängigen Relais (83, 84/92, 92") und eines Rückstromrelais (88, 89/ 93, 94) an das Wechselstromnetz an- oder abgeschaltet wird.
20. 20, Schwungradauegleichseinrichtung

    nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktionsmotor (81) auf zwei Geschwindigkeiten umschaltbar ist und daß die Umschaltung in Abhängigkeit von einer drehzahlabhängigen Einrichtung eines Rückstromrelais erfolgt.
21. 21. Schwungradausgleichseinrichtung nach Anspruch 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der konstanten Stromquelle (beispielsweise 74) eine Metadyne (97) mit ihren Sekundärbürsten (b, d) liegt, während die Primärbürsten (a, c) an eine im wesentlichen konstante Spannung (98) angeschlossen sind, um eine möglichst völlige Vergleichmäßigung des von der konstanten Stromquelle abgegebenen Stromes zu erzielen.

    Hierzu 3 Blatt Zeichnungen