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Einrichtung zur selbsttätigen Einhaltung konstanter Leistung bei Antrieben
von Verbrennungsmotoren mit elektrischer Kraftübertragung Der Benzinmotor wie auch
der Dieselmotor, die im weiteren als Verbrennungsmotoren benannt sind, eignen sich
iri vielen Fällen nicht zum unmittelbaren Antrieb einer bestimmten maschinellen
Einrichtung, z. B. für den Antrieb der Räder vom Triebwagen, da sich ihre Leistung
mit der Drehzahl - ändert; das bedeutet, daß auch bei geringerer Drehzahl die Motorleistung
geringer ist und die volle Leistung nur bei der Höchstdrehzahl vom Motor abgegeben
wird. Viele Antriebe erfordern jedoch, daß die volle Leistung des Verbrennungsmotors
bei verschiedenen veränderlichen Umdrehungen der Antriebswelle ausgenützt wird.
Es müssen also zwischen die Welle des Verbrennungsmotors und die Triebwelle verschiedene
Übersetzungen eingeschaltet werden. Eine große Verbreitung hauptsächlich bei Fahrzeugen
fanden die elektrischen Übersetzungen. deren Wesen darin beruht, daß mit dem Verbrennungsmotor
unmittelbar eine Dynamo, gewöhnlich für Gleichstrom, gekuppelt wird. Der in dieser
Dynamo .erzeugte Strom speist dann die Triebmotoren.
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Damit der Verbrennungsmotor ständig mit voller Leistung arbeitet,
muß auch die der Dynamo zugeführte Leistung ständig gleich sein, d. h. es muß sein:
wo E die Dynamospannung, J die Stromstärke und qi den Wirkungsgrad bedeuten. L ist
die Leistung des Verbrennungsmotors.
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Keine von den bekannten Gleichstrommaschinen hat jedoch eine solche
äußere Kennlinie, d. i. die Abhängigkeit der Klemmenspannung E vom Ankerstrom J,
damit der Bedingung einer konstant zugeführten Leistung entsprochen wird. Mit anderen
Worten, wenn sich die Strombelastung der
Dynamo ändert, ändert sich
auch ihre Spannung, jedoch nicht um so viel, daß sich nicht das Verhältnis
ändert.
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Es bestehen eine ganze Reihe Regelungseinrichtungen, welche den Zweck
haben, in künstlicher Weise die Kennlinie der Dvnaino womöglich der Bedingung einer
konstant zu-,geführten Leistung anzupassen.
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Solche Einrichtungen bestehen im Wesen aus einem selbsttätigen Regler,
der mit einer Umschalteinrichtung des in den Erregerkreis der Dynamo eingeschalteten
Widerstandes verbunden ist. Der Regler stellt den Widerstand selbsttätig derart
ein, daß bei jeder bestimmten Stromstärke l im Anker die Dynanib eine `Klemmenspanung
E gemäß der Gleichung
Konst, aufweist.
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Der Nachteil aller bestehenden Regler ist ihre geringe Empfindlichkeit.
Wenn sich die Strombelastung der Dynamo und damit auch die zugefiilirte Leistung
ändern, ändert der Regler auch die Erregung der Dynamo. Der Regler wirkt jedoch.
nicht sofort im ersten Augenblicke der Leistungsänderung, sondern erst wenn die
Abweichung der Leistung genügend groß wird. claß der Regler die Kraft entwickeln
kann, die zur Umschaltung des Widerstandes notwendig ist. fe weniger einptindlich
der Regler ist. desto größer wird diese Abweichung der Leistung sein. Außerdem muß
der Regler bei der Urischaltung des Widerstandes nicht nur die Widerstände der sich
bewegenden Teile, sondern auch ihr Beharrungsvermögen überwinden, wodurch die Einstellung
des Widerstandes sich verzögert. Die Änderung des erregenden magnetischen Flusses
der Dynamo ist infolge der Selbstinduktion der Erregerwicklung gegenüber der entsprechenden
Änderung der Einstellung des Widerstandes verzögert. Die angeführten Verzögerungen
erhöhen beträchtlich die Abweichungen von dem konstanten Wert der zugeführten Leistung
der Dynamo, gegebenenfalls können diese Verzögerungen, -welche mit dem elektromagnetischen
Beharrungsvermögen der Maschine und des Reglers zusammenhängen, unangenehme Schwingungen
des ganzen Systems hervorrufen.
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Das Bestreben nach der Beseitigung des schädlichen Einflusses des
elektromagnetischen Beharrungsvermögens führte zum Bau der sogenannten Voreilleistungsregler,
deren Wirkungsweise im Wesen darauf beruht, daß der Regler selbsttätig beträchtlich
größere Änderungen im Erregerwiderstand der Dynamo einstellt, als für die Kompensierun-
der entstandenen Abweichtin,- der zugeführten Leistung notwendig ist. Eine große
Änderung des Erregerwiderstandes ruft ein rasches Ansteigen oder Senkung des erregenden
magnetischen Flusses der Dynamo und dadurch auch eine schnelle Kompensierung der
entstandenen Abweichung der zugeführten Leistung hervor. Da jedoch die Änderung
des Erregerwiderstandes beträchtlich größer ist als der Bedarf zur Kompensierung
dieser Abweichung, ändert sich weiter der magnetische Fluß, und die der Dynamo zugeführte
Leistung überschreitet den geforderten konstanten Wert. Dabei erhält der Regler
selbstt:itig einen Riickliolimpuls, d:e zugeführte Leistung der Dynamo gleicht sich
mit dem geforderten konstanten Werte atis und überschreitet ihn in eritgegeiigesetzter
Richtuni;. her Regler Bewegt sich also ständig. und die Leistung der Dynamo schwingt
um einen mittleren Wert herum, welcher der konstanten Leistung des Verbrennungsmotors
entspricht. Damit dabei die Schwingungsamplitude klein ist, muß der Regler derart
empfindlich sein. daß er die verstärkte Erregung auf die abschwächende Erregung
vielmal schneller umschaltet, bevor diese verstärkte Erregung sich auf ihren Wert
einstellt. Darauf muß er die abgeschwächte Erregung auf die verstärkte Erregung
früher umschalten, bevor diese Abschwächung sich merklich. zeigt usw.
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Die Sch-,vingregler sind beträchtlich einfacher als die Regler, «-elche
die Erregung stufenartig ändern, sie arbeiten jedoch nicht in zufriedenstellender
Weise. denn sie sind nicht genügend empfindlich: deshalb sind die -periodischen
Aiisschwingungen vier Dynamoleistung groß. Diese .unangenehme Eigenschaft wirkt
scii<icllich auf d:e Dynamo und die elektrischen :Motoren bzw. erfordert eine
schwere Bauausführung der Maschinen und besondere bauliche Ausbildung der geräte,
wie z. B. der Stromgiesser und der Spannungsmesser u. dgl.
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Die bisher bekannten elektrischen selbsttätigen Leistungsregler von
Verbrennungsmotoren für konstante Umdrehungszahlen bestehen grundsätzlich aus zwei
Antriebssystemen, welche untereinander mechanisch verbund,-n sind und auf eine Vorrichtung
einwirken, die die Erregung -der Dynamo umschaltet. Eins dieser Systeme ist ein
Elektromotor. Sein Moment 1I1 ist der Leistung IV, gegebenenfalls der zugeführten
Leistung oder den. Moment der Dynamo proportional gemäß nachfol-ender Beziehung:
,fli@,=:=AII'i. wo k eine Konstante, 1I'" die nominelle geregelte Leistung der Dynamo.
-- J Il' die A1,-weichun- in der Dynanioleisturig bedeuten.
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Lias zweite System arbeitet nieclianiscli oder auch elektrisch und
hat eine annähernd
konstante Kraft oder eine Moment ill2, welches
gegenüber dem ersten System wirkt, und zwar derart, daß bei nomineller Leistung
1170 der Dynamo die beiden Systeme im Gleichgewicht sind, d. h. a M2 = 2,11
= k # Wo.
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Wenn eine Abweichung der Leistung -I- W zustande kommt, wird das Moment
des einen oder anderen Systems das Übergewicht erhalten, und die Umschalteinrichtung
verstärkt oder schwächt die Erregung. Das auf die Umschalteinrichtung einwirkende
Moment ist: -M=Ml-M2=+k#dW. Daraus ist also ersichtlich, daß das Moment des Reglers,
welches die Umschaltung der Erregung verursacht, der Abweichung der Dynamoleistung
d W bzw. der Abweichung der zugeführten Leistung oder des Momentes proportional
ist. Das Moment jedes der beirlen Antriebssysteme ist jedoch der vollen Leistung
W der Dynamo proportional. Beide Systeme müssen also auf ein viel größeres Moment
bemessen werden, und zwar im Verhältnis W : d W. Deshalb werden das
Beharrungsvermögen der beweglichen Teile beider Systeme und die passiven Widerstände
verhältnismäßig größ sein, und der Regler ist wenig empfindlich.
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Vorliegende Erfindung löst die- Aufgabe der ständigen Ausnützung der
Leistung des Verbrennungsmotors in einer neuen besseren Weise, die sich besonders
durch eine große Empfindlichkeit des Reglers kennzeichnet.
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DieErfindung beruht auf einem elektrischen Regler, bei welchem der
magnetische Fluß der durch die Erregung eines stationären elektrischen Systems entsteht-und
auf einen beweglichen Anker einwirkt, der mit der Umschaltvorrichtung verbunden
ist, der Gleichung: 0-c,.E+c,-I-f(n) (Z)
entspricht, in welcher T, E die Stromstärke
und die Spannung der Dynamo, die durch den Verbrennungsmotor angetrieben wird, bedeuten.
f (n) ist eine von der Umdrehungszahl der Dynamo abhängige Größe; cl, c2
sind konstante bzw. annähernd konstante Größen.
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Die angeführtenAbhängigkeiten des magnetischen Flusses von den Werten
E, 1, st werden auf die Weise erzielt, daß der Regler mit dreifacher Erregung ausgestattet
wird, und zwar einer Erregung, die von der Spannung E abhängig ist, einer Spannung,
die von der Stromstärke T abhängt und einer von der Umdrehungszahl abhängigen Spannung,
welche entgegen der zwei -erstgenannten Erregungen wirkt. Die Größen cl, c. und
f (n) werden derart gewählt, daß bei bestimmten mittleren Werten der Spannung
E und des Stromes I der Fluß 0 gleich Null ist. Wenn dabei die Werte cl,
c2 und f (n) genügend groß sind, werden gemäß der Gleichung (i.) kleine Abweichungen
der WerteE,I großen Abweichungen des magnetischen Flusses 0, der auf den beweglichen
Anker des Reglers einwirkt, entsprechen. Die Regelung wird also sehr empfindlich
sein und rasch stattfinden.
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Aus dem beschriebenen Prinzip der Regelung ist ersichtlich, daß eigentlich
die Summe der Werte der Spannung E und der StromstärkeJ bzw. die Werte, welche der
Spannung und der Stromstärke proportional sind, geregelt werden, wogegen es notwendig
ist, die der Dynamo zugeführte Leistung J. E bzw. die Leistung
des Verbrennungsmotors zu regeln.
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Durch die entsprechende Wahl der Größen cl, c2, welche mit Rücksicht
auf die Änderung der Permeabilität des Eisens durch Änderung der Sättigung nicht
konstant sind, und ebenfalls- durch entsprechende Wahl der Größe f (n) kann
erreicht werden, daß bei der beschriebenen Regelungsart die zugeführte Leistung
der Dynamo auf einem praktisch konstanten Wert erhalten bleibt: Die Erregung des
Reglers, die von der Umdrehungszuhl der Dynamo abhängig ist, wird in der Weise durchgeführt,
daß die entsprechende Erregerwicklung des Reglers aus einer Hilfsdynamo gespeist
wird, welch letztere von der Hauptdynamo bzw. vom -\Terbrennungsmotor angetrieben
wird. Wenn diese Hilfsdynamo mit Eigenerregung ausgestattet wird und wenn ihr magnetischer
Kreis nicht gesättigt ist, wird die Spannung der Hilfsdynamo sehr empfindlich gegen
Änderungen ihrer Umdrehungszahl. Da diese Spannung in der Gleichung für den magnetischen
Fluß 0 der Größe f (n) proportional ist, werden diese Größe f (n)
und dadurch auch der Fluß 0 sehr stark von Änderungen der Umdrehungszahl n beeinflußt
werden, d. h. der Regler wird mit großer Genauigkeit die konstante Umdrehungszahl
des Verbrennungsmotors und dadurch auch seine konstante Leistung aufrechterhalten.
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Es gibt bereits Regelungseinrichtungen, bei welchen eine elektrische
Maschine benutzt wird, die die Regelung auf rein elektrischem Wege durchführt, während
erfindungsgemäß ein elektromagnetischer Regler Verwendung findet, der eine mechanische
Regelung bewirkt. Die elektrische Dynamo besitzt zwar auch im bekannten Falle drei
Erregerwicklungen, die aber ganz anders wirken. Sie werden aus verschiedenen Stromquellen
gespeist, und zwar
von einem Hauptgenerator, einer Achsdynamomaschine
und aus einem Stromsammler, während die drei Erregerwicklungen des erfindun-s-emäßen
elektromagnetischen Reglers m#ttel- oder, unmittelbar von ein und derselben Stromnuelle
gespeist werden, nämlich von der Hauptdvnamn. Hierbei ist die eine Erreger-%y.cl;lting
abhängig von der Stromstärke dieser Dynamo, die zweite Erregerwicklung von der Snannutig
und die dritte Erregerw?cklung von der Umdrehungszahl der gleichen masch:ne.
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Daraus ergibt sich, daß es sich bei der Erfindung und der bekannten
Einrichtung um zwei grundverschiedene Regelungsprinzipien handelt, die nicht miteinander
verglichen werden können, Wenn trotzdem ein Vergleich zwischen beiden Anordnungen
angestellt werden soll, so zeigt sich, daß der Erfindungsvorschlag in zweierlei
Hinsicht vorteilhafter ist als die bekannte Einrichtung, nämlich insofern, als die
erfindungsgemäße Regelungsanordnung einfacher in ihrem Aufbau ist und auch genauere
Re;elungsergehnisse erzielt.
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Bei der Erfindung hat die Dynamomaschine eine eigene Nebenschlußerregung,
während bei der bekannten Einrichtung zwei besondere Errezerhilfsmaschinen notwendig
sind. Die Triebmotoren sind bei der Erfindung Reihenschlußmaschinen, während dem
gegenüber im bekannten Falle die Motoren. außer den Reihenschlußwindungen noch Erregerspulen
aufweisen, die aus einer Hilfsdynamo gespeist werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird nur die Erregung der Dynamomaschine
geregelt, jährend bei der bekannten Einrichtun- sowohl die Erregung der Dynamomaschine
als auch die der Triebmotoren geändert und beherrscht werden müssen. Das Relais
des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Reglers zwingt der Dynamomaschine durch
das Zeitintegral des Erregerstromes immer genau eine solche Erregung auf; -,velche
dem Fahrstrom und der eingestellten Leistung des Verbrennungsmotors entspricht.
Im bekannten Falle dagegen ist die Abweichung von der Hyperbel der konstanten Leistung
durch die praktische Möglichkeit gegeben, in welchem Maße überhaupt die Kennlinien
der Erregermaschinen verwirklicht werden können, damit die Ausnutzung der Leistung
genau ist. Nun ist es aber klar, daß eine solche Aufgabe nicht erfüllbar ist, und
daß demgemäß Abweichungen von der Leistung des Verbrennungsmotors im bekannten Falle
vorhanden sein müssen, so daß demnach da: durch d'e Erfindung erreichte Regelutigsergebnis
genauer ist.
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Die Art der Regelung gemäß vorliegender Erfindung und seine Vorteile
sind am besten aus den Ausführungsbeispielen des Reglers in Abb. i und 2 der Zeichnung
ersichtlich.
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In Abb. i ist i der Verbrennungsmotor, 2 die Hauptdynamo mit Nebenschlußerregung,
welche vom Verbrennungsmotor angetrieben wird, 3 die Hilfsdynamo mit Eigenerregung,
.. der Motor bzw. eine Gruppe von Motoren, die durch den Strom der Hauptdynamo angetrieben
werden. 5 ist ein Vorschaltwiderstand im Erregerstromkreis der Hauptdynamo, 6 ein
Schalter, 7 die mit einem Anker verbundene Welle des Reglers, welche den Schalter
6 betätigt. 8 ist die Erregung des Reglers. die vom Hauptstrom J abhängig ist, o
die Erregung des Reglers, die von der Spannung E der Hauptdynamo abhängt, io und
ii sind die Erregung des Reglers, die von der. Umdrehungszahl der Hauptdynamo abhängt
und von der Hilfsdynamo 3 gespeist wird. Die Pfeile in den Äbb. i und 2 zeigen die
Richtung der Wirkung der magnetomotorischenKraft der Erregung in den elektrischen
Mricklungen 8, 9, i o, ii an. -Der Strom in den Spulen io, ix ist der Spannung _e
an den Klemmen der Hilfsdynamo proportional. Die Hilfsdynamo hat Selbsterregung,
deshalb ändert sich ihre Spannung entsprechend einer höheren Potenz der Umdrehungszahl
n als- der ersten Potenz, d. h.
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e = Konst. - v.«, (2)
wo a) x ist.
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Die magnetomotorischen Kräfte, die durch die einzelnen Erregerwicklungen
8, 9, io, I i erregt werden, sind den Stromstärken bzw. Spannungen in den
einzelnen Wicklungen proportional. Bei nicht gesättigtem magnetischein Kreis ist
(?er gesamte ma,netirclic Fluß und das auf den Schalter 6 einwirkende Moment der
Summe aller magnetomotorischen Erregerkräfte proportional, d. h. für das Moment
bei Berücksichtigung der Gleichung (a) gilt die Gleichung: )?I = (k, #
J -1- k2 # E) = k3 # na, (3)
wo ki, k., 1s konstante Größen
sind.
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Wenn die Größen (k1 # J -i- k, # EI und k3 # ii.'einander gleich sind,
ist das Moment 11 ;'.cic?i Null, und der Regler ist in Ruhe. @\'enn der Wert der
Größe (k1 # J + k= # El steigt oder der Wert k,ti, sinkt, d. h. die
Unidrehungszahl und die Leistung des Verbrennungsmotors, entsteht ein Moment 11I,
welche: den Anker mit der Welle ,^ verdreht und mittels des Schalters 6 den Widerstand
; ü1 den Erregerstromkreis der Hauptdvnaino einschaltet. Die Spannung, Stromstärke
und die Leistung der Hauptdynamo sinken. der Verbrennungsmotor wird dadurch entlastet,
seine
Umdrehungszahl und damit auch seine Leistung steigen. Es sinkt also der Wert der
Größe (k1 - J + k2 - E), und es steigt der Wert der Größe k3 - n.a
in der Momentgleichung (3 ), bis beide Größen wieder gleich groß werden. Wenn sich
diese Größen weiter ändern, so daß der Wert der Größe (k1 - J -E- k2 - E) kleiner
wird als die Größe k3 - na, entsteht ein negatives Moment ill, d. h. der
Anker des Reglers wirkt auf den Schalter 6 in entgegengesetzter Richtung. Der '
Schalter verursacht eine Kurzschließung des Widerstandes und dadurch eine Verstärkung
der Erregung der Hauptdynamo, so -daß der Wert der Größe (k1 - J + k.
- E) von neuem steigen muß und der Wert der Größe k3 - na mit der
Überlastung des Verbrennungsmotors von neuem sinkt.
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Der Regler hält also das Gleichgewicht, so daß die. Beziehung gilt:
- ' (k1 - J -I-- k. - E) = ks na . (3)
Die Konstanten k1, k2,
k, sind von der Windungszahl der Wicklungen 8, 9, io, ii vom Eisenquerschnitt des
magnetischen Kreises des Reglers u. dgl. abhängig. Im allgemeinen hängen sie von
der baulichen. Ausführung des Reglers und der Hilfsdynamo 3 ab und-können also bei
der baulichen Ausbildung des Reglers je nach Bedarf geändert -,werden.
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Die Konstanten k1, k., k3 werden derart gewählt, damit bei bestimmten
mittleren Werten der Dynamospannung E" und der Stromstärke 1" die der Bedingung
einer konstanten Leistung Wo des '\%erbrennungsmotors entsprechen, beide Werte auf
der linken Seite der Gleichung (3) gleich sind und daß dabei die Gleichung (3) den
verlangten konstanten Werten der Umdrehungszahl % entspricht. Für die Bestimmung
der erwähnten Konstanten gelten dann zwei Gleichungen (die dritte Bedingung :ist
die entsprechende Größe des Reglers) : -(k1 - Jo -i- k= - E.)
= k3 - noa, (4)
' k1 - 1o = k2 - Eo #
(5)
Dabei ist: Jo-Eo=Wo-hlo, (6)
wobei ?io den Wirkungsgrad der Hauptdynamo
bei den Werten der Stromstärke Jo und der Spannung E" bedeutet.
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Mathematisch kann bewiesen werden, daß bei derart gewählten Konstanten
und für die Gleichung (3) mit großer Genauigkeit die Beziehung gilt:
d. h. der Regler trachtet die zugeführte konstante Leistung der Hauptdynamo und
die Leistung des Verbrennungsmotors aufrechtzuerhalten. Dabei ist, wie schon oben
nachgewiesen wurde, die Empfindlichkeit des Reglers und die Geschwindigkeit der
Regelung beträchtlich größer als bei anderen bekannten Systemen der Regelung.
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Die beschriebene Regelungseinrichtung äst in Abb. i bloß schematisch
dargestellt. In Wirklichkeit erfordert sie verschiedene Zusatzeinrichtungen, wie
z. B. Vorschaltwiderstände zu den Wicklungen 9, io, ii für die Einstellung der erforderlichen
Werte der geregelten Leistung. Durch Änderung dieser Widerstände, gegebenenfalls
auch durch Änderung des Widerstandes 5 kann ein beliebiger Wert der Leistung des
Verbrennungsmotors bzw. seiner Umdrehungszahl eingestellt werden; denn die Leistung
des Verbrennungsmotors ist annähernd der Umdrehungszahl proportional. Der beschriebene
Regler ist also gleichzeitig ein Regler der Leistung und der Umdrehungszahl.
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Die Ausführung des Reglers kann verschieden sein. In Abb. i ist ein
zweipoliger Regler dargestellt. Er kann auch mehrpolig sein. Auf j eden Magneten
kann eine Reihe Erregerwicklungen 8, 9, io, i i angeordnet werden. Die Wicklungen
io und i i können dabei zu einer einzigen Wicklung vereinigt werden. Der Anker ATS
kann aus- gewöhnlichem Eisen bestehen und mit einer Wicklung versehen sein, .die
aus einer beliebigen Stromquelle konstanter oder veränderlicher Spannung gespeist
wird. Die Zuleitungen zu dieser Wicklung können mittels biegsamer Verbindungen oder
mittels eines Kollektors oder mittels Ringen ausgeführt werden. Der Regler kann
auch die Form eines gewöhnlichen Elektromagneten mit verschiebbarer oder drehender
Bewegung des Ankers aufweisen. Der Schalter 6 kann die Erregung der Hauptdynamo
2 in bekannter Weise ändern, d. i. durch Änderung des Widerstandes in der Nebenschluß-oder
Fremderregung, durch Shuntung der Magnete, durch Abschaltung der Erregerwindungen
oder durch Kurzschließung derselben u. dgl. Dabei kann die Änderung der Erregung
zwischen zwei äußersten Werten (Schwingungsregler) oder stufenartig (die Reglerwelle
wirkt auf einen beweglichen Kontakt des Widerstandes), gegebenenfalls auch stetig
vorgenommen werden.
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Der magnetische Fluß, der auf den Anker des Reglers einwirkt, kann
räumlich in zwei Komponenten zerlegt werden, von welchen die .eine durch die Wicklungen
8, 11, die andere durch die Wicklungen 9, io erregt wird. Praktisch führt diese
Teilung des ganzen elektromagnetischen Systemes in zwei Teile gemäß Abb. 2.
| Die Wicklungen io, 11, die von einem von |
| der Umdrehungszahl des Verhrennungsnio- |
| tors bzw. von der Spannung der Hilfsclvnanu" |
| abhängigen Strom durchflossen werden, wir- |
| ken wie in Abb. i gegen die Z@'icl;lnngen, @. |
| die von Strömen durchflossen werden, die |
| der Stromstärke und Spannung der TIaupt- |
| dvnamo abhängig sind. J ist der ganze Ilaupt- |
| stroln oder ein Teil des Hatiptstroines. 13. c# |
| sind die Spannungen der Haupt- und Hilfs- |
| dvnamo oder Teile dieser Spannungen. Der |
| resultierende magnetische Flur, welcher die |
| beiden Anker N, S in Abb. 2 durchfließt, ist. |
| wie früher, durch die Gleichung i gegeben: |
| (1) - cl . E -f- c.- J - f (n)
. |
| Das resultierende Moment beider Anker ist |
| durch die Gleichung (3), wie das 'Moment des |
| Ankers gemäß Abb. i, gegeben: |
| t11 = (k, # J -f- k=# E) = k3 # zi.«. |
| Es gilt also alles, was von dein in Abb. i |
| dargestellten Regler gesagt wurde, auch von |
| cleni in Abb. 2 schematisch dargestellten Reg- |
| ler, jedoch mit einer einzigen Ausnahme: da.: |
| Moment des Reglers gemäß Abb. i ist Null. |
| wenn der magnetische Fluß gleich Null ist. |
| Das i\foment des Reglers gemäß Abb.2 ist |
| Null, wenn die Summe der magnetischen |
| Flüsse beider Anker gleich Null ist, wobei |
| die Komponenten des, magnetischen Flusses |
| in den beiden elektromagnetischen Kreisen |
| nicht gleich Null sein müssen. Die eine Kom- |
| ponente kann positiv. die zweite negativ sein. |
| Die Größe dieser Komponenten ist durch die |
| Eisensättigung begrenzt. Damit der Regler |
| empfindlich auf die Ausschwiligungen der |
| Leistung des Verbrennungsmotors einwirkt, |
| dürfen seine magnetischen Kreise beim Gleich- |
| gewichtszustand nicht gesättigt sein. Deshalb |
| darf hier theoretisch nicht eine unbegrenzt |
| große Anzahl von \Vindungen iür die Wick- |
| lungen 8, 9, lö, ii gewählt werden, wie dies |
| beim Regler gemäß Abb. i der Fall ist. wo |
| im Gleichgewichtszustand die Sättigung des |
| Eisens gleich Null ist. Wenn sich die Anzahl |
| der Erregerwindungen vermindert, vermindert |
| sich auch das Moment, welches auf den Schal- |
| tei: G bei bestimmter Ausschwingung der' |
| Hauptdvnämoleistung einwirkt. Dadurch ver- |
| mindert sich auch' die Schalt- eschwindiglceit. |
| Diese Geschwindigkeit bleibt jedoch beträcht- |
| lich größer als bei den bekannten I_c;.istun;,s- |
| reglern; denn das Prinzip der Differential- |
| wirkung der llagnetwicl;lun-en, welches |
| heim Regler gemäß Abb. i benützt wird, ist |
| auch beim Regler gemäß Abb. 2 v@@rhan #t;:l. |
| Der Vorteil des Reglers "ein;iß Abb. 2 h;- |
| steht in der Möglichkeit einer gen.-11101-eil Ize- |
| geluilh der Leistung des 1'Cl'lii'Cilill111tVTSillc@tn#': |
| als beim Regler gemäß Abb. i. |
Wenn der Regler mit Vz)rsclialt- oder Pariillehviderständen zu den Wicklungen 8,
9, r o, r i gemäß Abb. i derart eingestellt wird, daß hei mittlerer Strombelastung
Ja der Hauptdvilanio die Leistung des Verbrennungsmotor auf den richtigen verlangten
Wert Iho geregelt wird. dann wird bei einer raschen Änderung der Belastung und unveränderlicher
Drelizah; der Regler die der Hauptdvnanio zugeführte Leistung etwas kleiner als
Lho einstellen. Das Resultat dieser fehlerhaften Regelung ist eine kurzzeitige Entlastung
des Verbrennungsmotors und ein Ansteigen seiner Umdrehungszahl, also auch seiner
Leistung, wodurch der. Fehler kompensiert wird. Die endliche Abweichung des Verbrennungsmotors
bei auscye"liclieilerem Zustand ist gering und positiv.
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Der beschriebene kurzzeitige Fehler der Regelung kann beim Regler
gemäß Abb.2 teilweise durch künstliche Vergrößerung der Streuung der Wicklungen
8 und 9 beseitigt werden.
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Die Erregerwicklungen io, i i des Reglers sind so bemessen, daß ihre
Amperewinclungen die Amperewindungen der Wicklungen 8, 9 bei den mittleren Werten
der Stromstärke und der Spannung Ja, E" der Hauptdvnanio kompensieren. Bei maximaler
und minimaler Strombelastung der Hauptdynamo ist in beiden magnetischen Kreisen
des Reglers die maximale Eisensättigung vorhanden.
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Bei maximaler Stromstärke J (minimale Spannung F_) 'geht der magnetische
F1u8 in der Richtung der \\'irkung der Wicklung g in einen magnetischen Kreis. Die
Streuung der Wicklung 8 erhöht die Sättigung und den magnetischen Widerstand- der
Magnete. Dadurch vermindert sich auch das resultierende Moment, mit welchem die
Wicklungen 8, i i auf den Anker i z einwirken. Die Streuung der Wicklungo vermindert
die Sättigung und den magnetischen Widerstand des :Magneten; denn die Streuungskomponente
des Feldes wird im Eisen des Magneten von der Komponente des Feldes, welches auf
den :ltilcer einwirkt, subtrahiert. Dadurch vermindert sich der magnetische Widerstand
im Kreise der Wicklungen 9, io und erhöht das resultierende Moment, mit welchem
diese Wicklungen auf den Anker 13 einwirken.
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Infolge der Einwirkung der Streuung und der Sättigung vermindert sich
das lloillent de; :Ankers 12 und vergrößert sieh Glas Nlonient des Ankers 13. Das
Gleichgewicht des Keglers entstellt, solange sich die h-nidreliun «:-zahl der Haupt<lvnanao
nicht ändert, bei linlieren \\'erten 1. I: als (teil 1lcrecInlemn, ohne dal@
die Streuumr in 1ietraclit `ez@gca wird. d. li. bei geringerer, 1:urzzeitiger ne@ati@'cr
:\hweichun ;- der zugeführten l.eiaung dir 1 i auptdvnaino.
Auf
ähnliche Weise wird gefunden. daß auch bei minimaler Strombelastung (maximale Spannung
E) das Gleichgewicht des Reglers einen höheren Wert der zugeführten Leistung der
Hauptdynamo erfordert als der berechnete Wert ohne Erwägung der Streuung. Durch
künstliche Streuung kann also die oben angeführte kurzzeitige negative Abweichung
der zugeführten Leistung der Hauptdynamo kompensiert werden. Dadurch kompensiert
sich auch die Entlastung des Verbrennungsmotors und die ausgeglichene positive Abweichung
seiner Leistung.
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Allgemein kann gesagt -,verden, daß der Regler gemäß Abb. i dort seine
Anwendung findet, wo es auf eine ruhige Arbeit der Hauptdynamo ankommt (ohne rasche
Schwingung der zugeführten Leistung) und wo insbesondere keine große Genauigkeit
der Regelung verlangt wird.
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Der Regler gemäß Abb. 2 eignet sich dort, wo eine geringe Schwingung
der zugeführten Leistung der Hauptdynamo zulässig ist und wo insbesondere eine große
Genauigkeit der Leistungsregelung des Verbrennungsmotors (eine - rasche Schwingung
der zugeführten Leistung der Hauptdynamo hat keinen praktischen Einfluß auf die
Umdrehungszahl und die Leistung des Verbrennungsmotors) verlangt wird.
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Der Regler gemäß Abb.2 kann,dieLeistung des Verbrennungsmotors in
drei Punkten genau regeln: bei maximaler, mittlerer und minimaler Strombelastung
der Hauptdynamo. Zwischen diesen Punkten können bestimmte Abweichungen der Leistung
vorhanden sein.
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Eine weitere Erhöhung der Genauigkeit der Regelung kann durch besondere
Schaltung der Ankerwicklungen des Reglers erzielt werden, und dies derart, daß der
Anker 12 auf die Spannung E der Hauptdynamo, z. B. parallel oder in Reihe mit der
Wicklung 9 geschaltet wird. Der Anker 13 wird auf die Spannung _e der Hilfsdynamo
geschaltet, welche von der Umdrehungszahl des Verbrennungsmotors abhängt. Die Wicklungen
der Anker 12, 13 sind so bemessen bzw. die Ströme in denselben durch Widerstände
derart eingestellt, daß bei den oben erwogenen mittleren Werten der Spannung und
der Stromstärke Eo, l, und bei konstanter Umdrehungszahl s-. des Verbrennungsmotors
beide Anker im Gleichgewicht sind. Es sind dann auch die Abweichungen der Leistung
bei mittlerer Strombelastung (1o) im wesentlichen durch dieselben Bedingungen wie
bei den bebeschriebenen Reglern mit Ankern, welche aus einer gemeinsamen Stromquelle
gespeist werden bzw. mit permanenten Magneten versehen sind, gegeben.
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Bei größerer Strombelastung 1 ist die Spannung E kleiner als
Ea. Deshalb vermindern sich die Amperewindungen des Ankers 12, und das Gleichgewicht
entsteht, soweit eine konstante Umdrehungszahl der Hauptdynamo erwogen wird, bei
etwas hi-ößeren Werten von J, E, als dies bei den pernianenten Magneten :der Anker
12, 13 der Fall war. Bei kleineren Strombelastungen als Jo ist die Spannung E höher
als Ea. Die Amperewindungen des Ankers 12 werden hierdurch größer, und damit Gleichgewicht
entsteht, muß die Stromstärke J wieder größer sein als bei den Ankern mit permanenten
Magneten; denn ist die Stromstärke l kleiner als 1" wirkt sie elektromagnetisch
gegen die Feldrichtung.
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Dieselbe Wirkung würde erzielt werden, wenn der Anker i2 auf die Spannung
der Hilfsdynamo und der Anker i 3 in Reihe. in den vom Strom l durchflossenen Stromkreis
bzw. eine Abzweigung dieses Stromkreises geschaltet werden würden. _ Durch diese
zwei Schaltungsarten der Anker wird also eine ähnliche Kompensierung der Leistungsabweichungen
erzielt wie bei Benützung der künstlichen Streuung.
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Mittels der künstlichen Streuung kann jedoch auch die entgegengesetzte
Abweichung der Leistung erzielt werden, wenn statt der Wicklungen b, 9 die Wicklungen
io und ii mit erhöhter Streuung gebaut werden. Durch Vereinigung ,der künstlichen
Streuung mit der oben erwähnten Schaltung der Anker wird beinahe eine ideale Anpassung
der Regelung an die Bedingung einer konstanten Leistung des Verbrennungsmotors erzielt.
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Wie schon oben erwähnt, kann der Regler gemäß Abb. i und 2 die Erregung
der Hauptdynamo stufenweise oder schwingungsweise zwischen - zwei äußersten Werten
ändern. Beim Schwingungsregler ist besonders eine große Geschwindigkeit der Regelung
erwünscht. Diese Geschwindigkeit ist bei vorliegender Art der Regelung größer als
bei den bestehenden Reglern, kann jedoch auf zwei weitere Arten erhöht werden.
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Die eine Art besteht in der Aufspeicherung der Bewegungsenergie der
Anker und des Reglerschalters mittels elastischer Federn. Baulich wird dies so durchgeführt,
daß die Bewegung des Schalterhebels nach beiden Seiten durch Federanschläge begrenzt
wird, welche auch als Kontakte für die Änderung der Erregung der Hauptdynamo benutzt
werden können. Die Bewegungsenergie der Ausschwingung des Reglers wird dann in der
Feder durch ihre Spannung aufgespeichert. Bei der Rückschwingung des Reglers werden
die beweglichen Teile desselben durch elektromagnetische Einwirkung als auch durch
die Einwirkung der gespannten Feder beschleunigt
und die Spannung
der Feder auf der zweiten Seite, d. i. bei der Rückschwingung wird größer sein als
vorher. - Deshalb wird auch die Geschwindigkeit der weiteren Ausschwingung größer
sein. Das Anste:gen der Geschwindigkeit der Ausscliwingun-eil ist einerseits durch
die Federkraft, andererseits durch die Geschwindigkeit der elektromagnetischen Vorgänge
begrenzt. Die Verzögerun j, die von dem mechanischen Beharrungsvermögen herrührt,
kann so praktisch beseitigt -erden.
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Die elektromagnetische Verzögerung kann durch Umschaltung der Wicklungen
8, 9. io, ii bei der Ausschwingung des Reglers verringert werden. und zwar durch
eine solche Umschaltung. welche in der Endlage des Umschalthebels den Impuls zu
einer Rückbewegung gibt. Besondere Vorteile bietet eine solche Schaltung der- Spannungswicklung
9 des Reglers, welche nicht unmittelbar an die Haulltdvnamoklpmmen gelegt wird,
sondern hinter den Widerstandsteil, welcher zur Änderung der Nebenschlußerregung
der Hauptdynamo dient. Dann ist ein besonderer Umschalter für die Wicklungen des
Reglers nicht notwendig. Bei einer Verstärkung der Erregung der Hauptdynamo schließt
der Reg-7er den im Stromkreis der Nebenschlußerregung der Hauptdynamo liegenden
Widerstand kurz. Dadurch steigt augenblicklich die Spannung an den entsprechendenWicklungen
des Reglers, und derselbe erhält einen Rückholimpuls, bevor die Spannung der Hauptdynamo
merklich gestiegen ist. Bei der Rückschwingung schaltet der Regler den Widerstand
wieder in den Stromkreis der Nebenzchlußerregung. und der Ohmsche Spannungsabfall
in diesem Widerstand erniedrigt sofort die Spannung an den Reglerwicklungen, welche
von einem Strom gespeist werden, der von der Spannung der Hauptdynamo abhängig ist,
und deshalb erhält der Regier den Rückholimpuls wiederum, bevor die Spannung der
Hauptdynamo merklich gesunken ist. -In Abb. 3 ist ein Beispiel der Schaltung der
Wicklungen des Reglers mit der Haupt- und Hilfsdynamo dargestellt. Der Regler hat
zwei Anker, die von der Hilfsdynamo und von der Hauptdynamo über einen Teil des
\ebenschlußwiderstandes gespeist werden. Die Bezugszeichen i bis 13 sind dieselben
wie für Abb. i und 2. 1a ist ein Vorschaltwiderstand für die @@,icklung ii und den
Anker 13 des Reglers, die von der Hilfsdynamo 3 gesheist werden. Die Wicklung io
ist in Reibe mit der Nebenschlußerregung der Hilfsdynamo und mit dem Vorschaltwiderstand
1,5 geschaltet. Durch Änderung des Widerstandes i ; könnet. auch die geforderte
Umdrehungszahl des Verbrennungsmotors und der Wert der zu erhaltenden Leistung geändert
werden. 16 ist ein Spannungsteiler für die Wicklung 9 und für den Anker 12. Die
Widerstände 14, 15, r0 dienen einerseits zur Einstellung der richtigen Regelung,
andererseits zur Verminderung des Temperatureinflusses auf die Richtigkeit der Regelung.
Sie können auch aus einem Werkstoff mit geringem bzw, negativem Wärmekoeffizienten
des Widerstandes gebaut werden.