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Die Anwendung einer Metadyne mit kurzgeschlossenen Primärbürsten als
Spannungsquelle für Niederschlagskammern Die Erfindung bezieht sich auf elektrische
Gleichstrommaschinen für hohe Spannungen, wie sie in Anlagen zur Niederschlagung
von kleinen Teilchen durch elektrostatische Wirkung, z. B. in Entstaubungsanlagen,
verwandt werden. Eine Niederschlagskammer besitzt bekanntlich zwei Elektroden, die
an einer hohen Spannung, vorzugsweise an einer Gleichspannung, liegen. Wenn die
Spannung hoch genug ist, um einen Koronaeffekt zu bewirken, so werden die Teilchen
in der Kammer ionisiert und niedergeschlagen. Sehr oft erfolgen hierbei Lichtbögen
und Überschläge, wodurch die Stromquelle praktisch kurzgeschlossen wird. Der Strom
nimmt infolgedessen hohe Werte an, was sich ungünstig auf den Generator und die
Niederschlagskammer auswirkt. Weiterhin wird durch den zunehmenden Strom während
des Lichtbogens und Überschlages der Bogen selbst verstärkt und es bereitet Schwierigkeiten,
ihn zu löschen und die normale Wirkung wieder herzustellen. Wenn als Spannungsquelle
eine Gleichstrommaschine zur Anwendung gelangt, so sind verschiedene Mittel möglich,
um das Feld der Maschine im Kurzschluß zu schwächen. Außerdem kann man Maßnahmen
treffen, wodurch die Maschine wesentlich höhere Ströme aushält, als sie im gewöhnlichen
Betriebe auftreten. Eine weitere Schwierigkeit tritt dadurch auf, daß der Koronaeffekt
mit den Arbeitsbedingungen schwankt. Es ist daher, um einen einwandfreien Betrieb
zu erhalten, erforderlich, die Spannung sehr häufig zu wechseln.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, um alle diese Schwierigkeiten zu überwinden,
eine Metadyne als Stromquelle zu verwenden. Eine Metadyne besteht
bekanntlich
aus einem bewickelten Anker mit Kollektor, auf dem mindestens zwei Bürstensätze
schleifen. Der Ständer dient im allgemeinen nur als Rückschluß für den magnetischen
Kraftfluß. Dem einen, dem sogenannten Primärbürstensatz, wird der Strom zugeführt
und dem anderen, dem Sekundärbürstensatz, der umgeformte Strom entnommen. Eine derartige
Metadyne hat die Eigenschaft, bei konstanter Drehzahl und konstanter Primärspannung
einen konstanten Sekundärstrom abzugeben. Wenn man eine derartige Maschine zur Speisung
einer Niederschlagskammer verwendet, so wird die Sekundärspannung nach dem Einschalten
des Belastungsstromkreises langsam von Null aus bis zu einem bestimmten Wert ansteigen,
bei dem der Koronaeffekt eintritt. Der hierbei auftretende Strom wird dann die eingestellte
konstante Stärke annehmen. Die Sekundärspannung wird unabhängig vom Zustand in der
Niederschlagskammer stets einen solchen Wert annehmen, daß der Koronaeffekt eintritt.
Damit wird eine besondere Regelung der Spannung überflüssig.
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Bei einem Kurzschluß in der Niederschlagskammer wird die Sekundärspannung
der Metadyne so weit abnehmen, unter Umständen sogar negative Werte erreichen, daß
der einmal eingestellte konstante Strom aufrechterhalten bleibt. Dadurch wird nicht
nur die Beanspruchung der Maschine verringert, sondern es ist ohne weiteres möglich,
den Lichtbogen auszulöschen und normale Arbeitsbedingungen wieder herzustellen.
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Die Erfindung betrifft eine Vereinfachung und eine Verbesserung der
Wirkungsweise der Metadyne bei ihrer Anwendung als Spannungsquelle für eine Niederschlagskammer,
insbesondere eine Entstaubungsanlage. Das Wesentliche besteht darin, daß die Primärbürsten
der Metadyne kurzgeschlossen sind, wodurch eine unmittelbare Verbindung der Metadyne
mit einer primären Hilfsmaschine vermieden wird. Ein weiterer Fortschritt besteht
darin, daß ein Punkt des Primärkreises mit dem Maschinengehäuse leitend verbunden
werden kann. Weiterhin kann die Spannung eines kleinen primären Hilfsgenerators
in Abhängigkeit vom Primärstrom der Metadyne geändert werden. Durch eine besondere
Anordnung der Feldwicklungen erhält außerdem der Sekundärstrom mit steigender Spannung
einen zunächst leicht ansteigenden, dann aber stark abfallenden Verlauf. Außerdem
wird eine besondere Anordnung der Wendepolwicklungen angegeben, wodurch die Isolation
vereinfacht wird. Schließlich werden noch einige Anordnungen angegeben, durch die
eine bessere Isolation der verschiedenen Teile der Maschine ermöglicht wird.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung sollen im folgenden an Hand
der Zeichnung einige Ausführungsbeispiele besprochen werden.
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Abb. I zeigt das Prinzipschaltbild, Abb. 2 eine Weiterbildung desselben;
Abb. 3 läßt die Erdung der Primärwicklung am Gehäuse erkennen; Abb. 4 veranschaulicht
die Erregung des primären Hilfsgenerators; bei einer Ausführung nach Abb. 5 ist
als primärer Hilfsgenerator eine Metadyne verwandt; Abb.6 läßt eine besondere Ausbildung
der Metadyne mit zwei getrennten Läuferwicklungen und Abb. 7 eine Metadyne mit drei
getrennten Läuferwicklungen, einer primären und zwei sekundären, erkennen; Abb.
8 zeigt Einzelheiten der Ständerwicklungen und vor allem der Wendepolwicklungen;
in Abb. 9 ist eine Reihenschaltung einer Metadyne mit einer gewöhnlichen Gleichstrommaschine
dargestellt; die Kurven in den Abb. Io und II zeigen die Charakteristik der der
Erfindung zugrunde liegenden Metadyne.
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In Abb. I ist mit I die Metadyne bezeichnet, deren Primärbürsten a
und c kurzgeschlossen sind. Die Sekundärbürsten b und d sind mit den.
Elektroden der Niederschlagskammer 3 verbunden. Der Ständer der Metadyne besitzt
eine Wicklung 2, die sogenannte Sekundärvariatorwicklung, die getrennt erregt wird.
Sie erzeugt mit ihren Amperewindungen einen Fluß, der eine EMK zwischen den Primärbürsten
hervorruft. Infolgedessen fließt ein Strom im Primärkreis, welcher einen Fluß, den
sogenannten Primärfluß, zur Folge hat. Durch diesen wird an den Sekundärbürsten
b und d eine Spannung erzeugt. Sobald die Sekundärspannung den den
Koronaeffekt bewirkenden Wert erreicht, fließt ein Belastungsstrom durch die Niederschlagskammer
3, wodurch der Koronaeffekt sehr heftig wird. Die Zunahme dieses Stromes ist durch
die entgegenwirkende Sekundärvariatorwicklung 2 begrenzt. Auf diese Weise ist die
Maschine unabhängig von den wechselnden Bedingungen in der Niederschlagskammer.
Tritt ein Kurzschluß ein, so nimmt die Sekundärspannung soweit ab, bis der Sekundärstrom
seinen vorbestimmten Wert erreicht hat. Wenn durch den Kurzschluß der Strom über
den normalen Wert ansteigt, so nimmt die Sekundärspannung negative Werte an, und
der Lichtbogen wird ausgelöscht. Die Sekundärvariatorwicklung 2 kann von einer beliebigen
Stromquelle gespeist werden. Es ist jedoch vorteilhaft, hierfür einen besonderen
kleinen umlaufenden Hilfsgenerator zu verwenden.
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Es hat sich gezeigt, daß die beste und stabilste Wirkung erreicht
wird, wenn man den Primärstrom eine Ständerwicklung der Metadyne durchfließen läßt,
durch die eine, dem Primärstrom entgegengerichtete EMK erzeugt wird. Abb. 2 zeigt
hierfür ein Ausführungsbeispiel. Die Primärbürsten a und c sind über die Ständerwicklung
4 geschlossen. Die Wicklungsachse der Wicklung q. muß nicht unbedingt mit der Kommutierungsachse
der Sekundärbürsten zusammenfallen, sondern es ist möglich, durch eine in einer
anderen Achse liegende Ständerwicklung einen Strom zu erzeugen, der eine EMK zwischen
den Primärbürsten hervorruft. Die wirksamste Anordnung einer solchen Wicklung q.
ist senkrecht zur Kommutierungsachse der primären Bürsten, wie es in Abb. 2 dargestellt
ist. Wenn man sie jedoch unter einem Winkel
neigt, so daß auch zwischen
den Sekundärbürsten eine EMK in der gleichen Richtung wie von den primären Ankeramperewindungen
induziert wird, so wird eine zusätzliche Verringerung des Primärstromes erreicht.
In der weiter unten zu betrachtenden Abb. 8 ist dies näher veranschaulicht.
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Abb.3 zeigt schematisch den besten Weg zur Erdung der Wicklungen am
Metadynegehäuse, wenn der Primär- und Sekundärbürstensatz auf dem gleichen Kommutator
schleifen. Es ist hier ein Punkt des Primärkreises mit dem Maschinengehäuse verbunden.
Hierdurch ist das größte Spannungspotential zwischen der Wicklung und dem Gehäuse
praktisch auf den kleinstmöglichen Wert, nämlich auf die halbe Sekundärspannung,
verringert.
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Abb. 6 zeigt schematisch eine Metadyne mit zwei getrennten Ankerwicklungen.
Diese Ausführungsart ist besonders für Niederspannung im Primärkreis geeignet und
wird somit vorteilhaft dann verwandt, wenn Verbindungen mit Ständerwicklungen, wie
in der Abbildung gezeigt, erfolgen sollen, weil dann eine sehr schwache Isolation
möglich ist. Die Sekundärwicklung, die im allgemeinen hohe Spannungen führt, hat
vorzugsweise keine Verbindungen mit Ständerwicklungen. Sie kann aus mehreren Teilwicklungen
zusammengesetzt werden, die in Reihe geschaltet sind, wie das schematisch aus Abb.
7 zu ersehen ist.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn man den Sekundärstrom verringert,
sobald die Sekundärspannung den Normalwert überschreitet. Hierdurch wird die Arbeitsweise
stabiler. Um einen derartigen Verlauf des Sekundärstromes zu erhalten, läßt man
den Primärstrom der Metadyne eine Feldwicklung eines kleinen Hilfsgenerators durchfließen.
In Abb. 4. ist das in einem Beispiel beschrieben. I ist die Hauptmetadyne, deren
Sekundärvariatorwicklung a mit Strom von einem kleinen Hilfsgenerator 5 gespeist
wird. Dieser ist beispielsweise als Nebenschlußmaschine mit dem Feld 6 angenommen.
Derselbe kleine Generator 5 ist mit einer weiteren Feldwicklung 7 versehen, die
vom Primärstrom der Metadyne durchflossen wird. Der Primärstrom durchfließt außerdem
noch die Ständerwicklung 4 der Metadyne und erzeugt zwischen den Primärbürsten eine
dem Primärstrom entgegengerichtete EMK. An Stelle des als Nebenschlußmaschine dargestellten
kleinen Hilfsgenerators kann selbstverständlich auch ein Reihenschlußgenerator verwandt
werden.
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Der in Abb. 5 verwandte kleine Hilfsgenerator ist als Metadyne ausgeführt,
deren Sekundärbürsten b', d' mit einer Ständerwicklung 8 verbunden sind, um die
gewünschte Charakteristik zu erreichen.
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In manchen Fällen ist es erwünscht, daß der Verlauf des Sekundärstromes
in Abhängigkeit von der Sekundärspannung der in Abb. II dargestellten Kurve entspricht,
in der als Abszisse 0X die Sekundärspannung und als Ordinate 0Y der Sekundärstrom
aufgetragen ist. Es hat sich gezeigt, daß mit einem derartigen Verlauf des Sekundärstromes
ein bei Kurzschluß in der Niederschlagskammer auftretender Lichtbogen am leichtesten
ausgelöscht wird.
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Um einen derartigen Verlauf des Sekundärstromes zu erzielen, wird
folgende Anordnung verwendet. Die von dem kleinen Hilfsgenerator an der Sekundärvariatorwicklung
der Metadyne erzeugte Spannung wächst schwach mit der Sekundärspannung der Metadyne
an. Außerdem hat der magnetische Kreis der Hauptmetadyne eine derartige Formgebung,
daß er beim Errreichen der normalen Sekundärspannung gesättigt wird.
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In der Abb. Io ist eine Kurve o a b c mit dem Bezugsachsen 0X und
0Y aufgezeichnet. Die Bezugsachse 0X stellt die Sekundärspannung mit dem Nullwert
in 0' dar und die Bezugsachse OY die Amperewindungen in der Sekundärvariatorwicklung
der Hauptmaschine. Die Ordinaten sind damit proportional der Spannung im kleinen
Hilfsgenerator. Der Punkt a entspricht der Spannung Null an den Sekundärklemmen
der Hauptmetadyne. Spannung und Amperewindungen der Sekundärvariatorwicklung der
Hauptmaschine wachsen mit zunehmender Sekundärspannung leicht an, wie es der Teil
a b c der Kurve o a b c erkennen läßt. Durch die Kurve o' d c sind
die Amperewindungen der Sekundärvariatorwicklung veranschaulicht, die erforderlich
sind, um die für die (durch die Abszisse gegebene) Sekundärspannung notwendige Primärspannung
zu erzeugen. Infolgedessen stellt die Differenz der Ordinaten der beiden Kurven
a b r und o' d c im entsprechenden Maßstab die Sekundärstromstärke der Metadyne
dar.
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In der Abb. II ist diese Differenz aufgetragen, und man sieht, daß
der gewünschte Verlauf des Sekundärstromes erreicht ist.
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Die den primären Bürsten der Metadyne I zugeordneten Wendepolwicklungen
werden vom Primärstrom durchflossen, ohne daß Schwierigkeiten hinsichtlich der Isolation
auftreten, weil entweder die Primärwicklung eine Niederspannungswicklung ist, oder
sie elektrisch mit dem Gehäuse der Metadyne verbunden ist. Andererseits ist für
die sekundären Wendepolwicklungen, wenn sie in der üblichen Weise vom Sekundärstrom
durchflossen werden, eine hohe Isolation erforderlich. Durch die folgende Anordnung
wird diese Schwierigkeit beseitigt.
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Die sekundären Wendepolwicklungen werden nicht vom Sekundärstrom durchflossen,
sondern bestehen aus zwei Teilen, von denen der eine, wie erwähnt, in Reihe mit
dem Primärstromkreis und der andere in Reihe mit der sekundären Variatorwicklung
a liegt. Auf diese Weise sind beide Teile nur für Niederspannung zu isolieren. Die
richtige Wirkung dieser Wicklungen wird dadurch erzielt, daß man sie nach der folgenden
Gleichung bemißt: K12 = K'IW-K"Jl-K'11 J2, wo IL 12 die vom Sekundärstrom
12 erzeugten Läuferamperewindungen, K' 1W die von der vom Strom 1W, welcher
der Sekundärvariatorwicklung zugeführt wird, durchflossenen Wicklung, und
K''J1
die von der vom Primärstrom J1 durchflossenen Wicklung erzeugten Ständeramperewindungen
sind. K'''J2 sind zusätzlich Amperewindungen, welche zur Erzeugung des erforderlichen
Kommutierungsfeldes notwendig sind. Es wird dabei unterstellt, daß die Ankerreaktion
völlig kompensiert ist. Die Sekundärbürsten sind unmittelbar mit den Klemmen der
Niederschlagskammer verbunden, wodurch sich eine sehr einfache Konstruktion ergibt.
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Abb. 8 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, in dem der Einfachheit
halber nur die sekundären Wendepole 9 und Io eingezeichnet sind. Die sekundären
Variatorwicklungen 2 sind in Reihe mit einer die sekundären Wendepole umgebenden
Wicklung geschaltet. 4 sind die von dem Primärstrom durchflossenen Ständerwicklungen,
die in Reihe mit dem anderen Teil der Wicklung auf den sekundären Wendepolen verbunden
sind. Bei dem Ausführungsbeispiel der Abb. 8 ist die Wicklungsachse der vom Primärstrom
durchflossenen Ständerwicklung 4 zur Achse der primären Stromwendung a c geneigt.
Auf diese Weise wird eine Verringerung des Primärstromes erreicht.
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Ein Hauptvorteil der Verwendung von Metadynen als Spannungsquelle
für den vorliegenden Zweck ist der, daß sie sehr leicht einem Kurzschluß standhalten.
Wenn mehrere Einheiten als Spannungsquelle verwendet werden, so können einige davon
gewöhnliche Gleichstrommaschinen konstanter Spannung sein, vorausgesetzt, daß die
Zahl der Metadynen hinreichend ist, um der als Gesamtheit betrachteten Spannungsquelle
den gewünschten Stromspannungsverlauf zu geben.
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Abb. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel, wobei als Spannungsquelle eine
Metadyne I und eine gewöhnliche Gleichstrommaschine II mit konstanter Erregung I2
verwendet werden. Die Metadyne muß derart ausgeführt sein, daß ihre Sekundärspannung
mindestens gleich der von der gewöhnlichen Gleichstrommaschine gelieferten Spannung
ist.
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Es ist vielfach erwünscht, den Sekundärstrom in weiten Grenzen während
des Betriebes zu regeln. Die Verwendung von Hochspannungsschaltern zur Feldregelung
verbietet sich infolge der hohen Kosten. Nach einem Gedanken der Erfindung soll
daher der kleine Hilfsgenerator oder etwa mehrere Hilfsgeneratoren durch eine getrennte
Welle und einen getrennten Motor angetrieben werden, dessen Drehzahl regelbar ist
(Abb. I2). Durch die Regelung der Drehzahl erreicht man damit eine Regelung des
Sekundärstromes, wozu nur Niederspannungsschalteinrichtungen erforderlich sind.