Die Regulatoren in der Elektrotechnik. Mit Abbildungen auf Tafel 3. Die Regulatoren in der Elektrotechnik. Der Ingenieur der Lyon-Eisenbahn G. Marie hat in den Annales des Mines, 1888 Bd. 13 * S. 5, im Anschlusse an frühere, daselbst 1878 und 1887 abgedruckte Untersuchungen über Regulatoren und gestützt auf Abhandlungen von Deprez, Richard, Hospitalier u.a. in anderen Zeitschriften eine umfängliche Arbeit über die in der Elektrotechnik verwendeten Regulatoren für die Stromstärke, für die elektrischen Motoren und die Bogenlampen veröffentlicht, der nachfolgende Mittheilungen entnommen sind. Der erste Theil der Arbeit beschäftigt sich mit den verschiedenen Arten der Elektricitätsvertheilung, sowohl rücksichtlich der Schaltung der einzelnen Verbrauchsstellen (z.B. der Bogenlampen, der Glühlampen u.s.w.), als bezüglich der Leitungsführung, sowie der Zahl, der Beschaffenheit und Einfügungsweise der Dynamomaschinen; auch die Verwendung von Inductionsapparaten (Transformatoren) und von Speicherbatterien (Accumulatoren) bleibt nicht unberührt. Im zweiten und gröſsten Theile werden die Regulatoren der Spannung und Stromstärke behandelt. Nach einer kurzen Besprechung der von Edison in der Mehrzahl seiner Anlagen verwendeten Regulirung durch die Hand des Maschinisten werden zunächst die Grundgedanken für die Einrichtung der Regulatoren kurz angegeben und die Verschiedenheiten in ihrer Ausführung erwähnt, je nachdem sie die Spannung, oder die Stromstärke reguliren sollen und je nachdem sie dies durch Beeinflussung des erregenden Stromkreises der Dynamo oder der diese treibenden Dampfmaschine thun sollen. Da in allen Fällen ein Solenoid als Organ für die Regulirung benutzt wird, das als Regulator für die Spannung aus dünnem Drahte von groſser Länge gewickelt wird und in einen Nebenschluſs gelegt wird, während es zur Regulirung der Stromstärke dicken und kurzen Draht erhält und in den Hauptstromkreis selbst eingeschaltet wird, so wird weiter die Aenderung der Anziehung des Kernes in den Solenoiden untersucht in ihrer Abhängigkeit von der Tiefe des Eintauchens des Kernes in die Spule. Saint-Loup und Reynier haben gezeigt, daſs die Curve der Anziehung bei einem cylindrischen Kerne, wenn man als Abscissen die Entfernungen des unteren, innerhalb der Spule befindlichen Kernendes von dem Pfropfen an dem unteren Spulenende nimmt, von einer gewissen Stelle ab merklich eine Gerade ist, von dieser Stelle ab also die Anziehung proportional der Hebung des Kernes abnimmt, und daſs daher als Gegenkraft einfach eine Spannfeder benutzt werden kann. Reynier hat hiervon für den Regulator einer Bogenlampe Gebrauch gemacht. Will man als Gegenkraft ein unveränderliches Gewicht benutzen, so darf der Kern nicht walzenförmig gemacht werden, sondern er muſs eine eigenthümliche Gestalt erhalten, wie z.B. in der bekannten Lampe von Piette und Krizik (1882 243 428. 1884 251 * 68 und Doubraxa 1888 270 * 23). Die Solenoid-Regulatoren können ebensowohl für Wechselströme, als für Gleichstrom angewendet werden- bei ersteren wechselt die Magnetisirung mit der Stromrichtung, allein beim Vorhandensein einer gewissen Stabilität nimmt der Kern ohne Schwingungen eine mittlere Stellung ein. Doch erfordert der Regulator in jedem einzelnen Falle eine besondere Regulirung. a) Elektrische Regulatoren, welche durch unmittelbare Einwirkung auf den Zutritt oder die Vertheilung des Dampfes die Spannung, oder die Stromstärke unverändert erhalten, machen den Geschwindigkeitsregulator an der Dampfmaschine entbehrlich, da die Geschwindigkeit der letzteren nach dem Verbrauche an Elektricität regulirt wird.Vivo y Graells reguliren durch Aenderung der Umlaufsgeschwindigkeit der Dynamomaschine (vgl. 1887 265 441). Zu dieser Klasse gehören u.a. die Regulatoren von P. W. Willans (auch 1886 259 74). Bei dem unmittelbar wirkenden Regulator wendet Willans als Gegenkraft eine regulirbare, an dem hohlen Kerne mit dem einen Ende befestigte Spiralfeder an, und läſst eine Stange die Bewegung des Kernes auf den röhrenförmigen Schieber wirken, welcher den Dampfzutritt zur Maschine regelt; überdies wird die Bewegung des Kernes dadurch verlangsamt, daſs der Raum, worin sich der Kern bewegt, mit Wasser angefüllt ist. Bei einem anderen Regulator von Willans bewegt der ebenfalls mit einer Spiralfeder ausgerüstete Kern nur ein Ventil, welches dann Wasser mit einem gewissen Drucke über oder unter einen Kolben treten läſst, der den Dampfzutritt regelt. Auch der in Fig. 6 abgebildete, sehr gut wirkende Regulator von Richardson wirkt unmittelbar auf das Zutrittsventil. A ist das Solenoid, B sein Kern, C die Spannfeder; B ist zugleich unmittelbar mit dem äquilibrirten Ventile E verbunden. Grelle Schwingungen des Kernes werden durch ein besonderes (in Fig. 6 nicht angegebenes) Mittel verhütet; dadurch entsteht aber der Uebelstand, daſs sich das Ventil bei plötzlicher Stromunterbrechung nicht sofort schlieſst. Um diesen Fehler zu verbessern ist noch ein dickdrähtiger Elektromagnet in den Stromkreis selbst eingeschaltet, dessen Kern für gewöhnlich den schweren Anker G angezogen hält; beim Abfallen zu Folge einer zufälligen Stromunterbrechung schlieſst G sofort das Ventil. Diese unmittelbar wirkenden Regulatoren sind zu schwach, um auf die Dampfvertheilung wirken zu können. Dazu eignet sich u.a. der in Fig. 7 dargestellte Spannungs-Regulator von Westinghouse, dessen Spule A mit einem langen und dünnen Drahte bewickelt ist und einen Nebenschluſs zu den Hauptleitern bildet; der auf den Kern ausgeübten Anziehung hält die Feder C das Gleichgewicht, deren Spannung mittels der Schraube D regulirt werden kann. Die an B sitzende Stange wirkt auf ein ganz kleines Ventil E, das einen von F her kommenden feinen Dampfstrahl in den Cylinder eintreten und auf den Kolben G wirken läſst; eine Spiralfeder hält dem Dampfdrucke das Gleichgewicht; die Stange H steht mit der veränderlichen Dampfvertheilung in Verbindung. B macht nur eine sehr kleine Bewegung und ist, wie stets, gegen ungeregelte Schwingungen zu schützen. Um langsamere und sanftere Bewegungen des Kolbens G zu erhalten, hat Westinghouse in einem anderen Regulator den Dampfstrahl durch einen feinen Strahl unter Druck stehenden Wassers ersetzt; den Druck erzeugt eine ganz kleine Rotationspumpe, die beständig arbeitet und noch eine zweite Oeffnung für den beständigen Abfluſs des Wassers besitzt. Wenn bei dem Regulator von Westinghouse das kleine Ventil geöffnet worden ist, schlieſst es sich allmählich, so daſs der Kolben G, nachdem er anfangs in eine sehr rasche Bewegung versetzt worden ist, allmählich seine Geschwindigkeit mäſsigt und ganz langsam in seiner neuen Gleichgewichtslage stehen bleibt. Bei den Geschwindigkeitsregulatoren mit Einrückungen dagegen fährt das regulirende Organ, wenn es einmal eingerückt ist, mit unveränderter Geschwindigkeit fort, die Aenderung zu bewirken, ohne in dem Momente, wo die Maschine auf ihre normale Geschwindigkeit zurückkommt, sich zu verlangsamen. Der elektrische Regulator hat daher vor den Geschwindigkeitsregulatoren mit mechanischer Einrückung den Vorzug, daſs er die Schwingungen zu verhüten vermag, namentlich wenn man dafür sorgt, daſs der Kolben sich nicht zu rasch bewegt. Die Wirkung dieser Klasse von Regulatoren kann keine augenblickliche sein, da das Schwungrad der Dampfmaschine und der umlaufende Anker der Dynamo sich dem widersetzen. Dies erscheint als Nachtheil bei plötzlicher Verminderung des Elektricitätsverbrauches. Es ist aber auch ein Vortheil, da das Schwungrad grelle Sprünge des Regulators, welche auch schaden können, verhütet. Hier empfiehlt es sich aber, das Schwungrad der Dampfmaschine nicht zu kräftig zu machen, während es nach den früheren Untersuchungen für die Geschwingkeitsregulatoren nie zu kräftig sein kann. (Vgl. auch Maxim 1884 253 * 491, Alley und Jamieson 1885 258 451, Brown 1887 264 440.) b) Elektrische Regulatoren, welche auf den erregenden Strom der Dynamo wirken. Hier hat die Dampfmaschine einen Geschwindigkeitsregulator zu erhalten. Wenn es sich um eine Elektricitätsvertheilung unter unveränderlicher Spannung handelt, so ist das einfachste Mittel, eine Dynamo mit Erregung im Nebenschlusse zu verwenden und in diesen Nebenschluſs veränderliche Widerstände einzuschalten. Handelt es sich um eine Vertheilung bei Hintereinanderschaltung, so wird man eine Dynamo anwenden, deren Erregung im Hauptstromkreise erfolgt und die nahezu die Stromstärke selbsthätig regulirt; der veränderliche Widerstand kommt dann in den Hauptstromkreis; er verzehrt aber wenig elektrische Energie, weil die Dynamo selbst beinahe die Stromstärke unverändert erhält. Man kann auch den Regulator auf die Bürsten der Dynamo wirken lassen; dies hat Maxim bei einem seiner ersten Regulatoren (1881 239 126) gethan; hierbei treten aber Funken auf, wenn die Bürsten nicht mehr die richtige Stellung haben. Thomson und Houston haben die Funken durch ein besonderes Verfahren zu unterdrücken vermocht. Der künstliche Widerstand muſs eine Widerstandsänderung in sehr kleinen Schritten gestatten; der bewegliche Arm darf nie den Strom unterbrechen, selbst wenn er mitten zwischen zwei benachbarten Widerständen entsprechenden Stellungen steht. Der Arm kann meist nicht unmittelbar vom regulirenden Organe bewegt werden, da nicht mehr als 1 bis 2 Proc. von der Anziehung der Spule auf seine Bewegung verwendet werden darf, wenn nicht der Gang des Regulators gefälscht werden soll. Die schon besprochenen Regulatoren von Westinghouse und von Willans könnten ganz gut auch auf einen Widerstand wirken. Eine unmittelbare Regulirung erreicht Zipernowski (vgl. dessen Regulatoren für Wechselstrommaschinen 1886 260 188. 1887 264 142) finden an Transformatoren gelieferten Strom, indem er auf dem beweglichen Solenoidkerne eine kleine Schale mit Quecksilber anbringt, in das, je nach der Stellung des Kernes, eine gröſsere oder kleinere Anzahl von festliegenden, den künstlichen Widerstand bildenden Metallstäben eintauchen, da diese verschiedene Länge haben und über der Schale angeordnet sind. Dagegen hat Brush (1884 252 46) den veränderlichen Widerstand aus Kohlenplatten gebildet, die der Solenoidkern mehr oder weniger stark zusammendrückt. Auch Edison hat einen derartigen Regulator angegeben, der aber nur mittelbar wirkt, indem zwei Elektromagnete einen Hebel bewegen, der die Ein- oder Ausschaltung der Widerstände in den erregenden Stromkreis vermittelt. Vgl. auch Goolden und Trotter 1887 264 461. 265 * 438. Siemens und Lauchen 1888 268 574. Edison 1884 253 116. 117. c) Elektrische Regulatoren mit regulirender Dynamo. 1881 hat Marcel Deprez folgende Anordnung angewendet. Die Strom erzeugende Dynamo speist den Hauptkreis mit Strom- sie wird durch eine besondere Dynamo erregt; in einen Nebenschluſs zu den Hauptleitern ist eine besondere kleine Strom empfangende Dynamo eingeschaltet, die eine Bremse in Bewegung setzt, welche unveränderliche Leistung verbraucht und die mit einem Geschwindigkeitsregulator ausgerüstet ist. Diese Dynamo wird daher ihre Geschwindigkeit steigern oder vermindern, wenn die Spannung über oder unter den normalen Betrag geht. Dieser Geschwindigkeitsregulator ist also ein Spannungsregulator und wird vollständig, wenn man ihn auf einen im Erregungsstromkreise der Dynamo liegenden Widerstand wirken läſst. Es sind noch manche solche Regulatoren vorgeschlagen worden, sie sind aber minder einfach als die schon besprochenen Solenoid-Regulatoren. Man könnte auch wohl den Geschwindigkeitsregulator der regulirenden Dynamo auf das Ventil der die Strom – erzeugende Dynamo treibenden Dampfmaschine wirken lassen. d) Verschiedene andere elektrische Regulatoren. Gewisse Regulatoren lassen zugleich ein Solenoid und einen Centrifugalregulator auf den Dampfzutritt wirken. Als Spannungsregulatoren sind sie unnöthig, weil die Geschwindigkeit der Dynamo sich nur sehr wenig ändert, wenn man die Spannung durch Einwirkung auf das Ventil regulirt. Als Stromstärkenregulatoren haben sie ihre Berechtigung, weil diese bei einer starken Verminderung der Zahl der brennenden Lampen die Geschwindigkeit auf eine unzulässige Gröſse herabdrücken würden; doch hat man auch hier einfachere Lösungen. Maurice Levy bringt zwei kleine Strom empfangende elektrische Maschinen auf einer Welle an, jedoch mit entgegengesetzter Bewickelung; die eine ist eine dynamoelektrische, die andere eine magnetoelektrische Maschine. Der elektrische Strom geht durch die Rolle der letzteren und durch die Rolle und die inducirende Wickelung der ersteren- daher wird die gemeinschaftliche Welle sich in dem einen oder dem anderen Sinne drehen, je nachdem die eine oder die andere Maschine überwiegt; die Welle aber setzt die veränderliche Dampfvertheilung in Gang. Eine unveränderliche Stromstärke bei veränderlichem äuſseren Widerstände könnte man auch erhalten, indem man den Geschwindigkeitsregulator der Dampfmaschine wegläſst und einen Druckregulator an dem Rohre anbringt, das den Dampf von dem Kessel nach der Maschine leitet. Dieses Mittel stützt sich auf die bekannte Eigenschaft der Strom – erzeugenden und der Strom – empfangenden Maschinen, daſs die Arbeit für eine Umdrehung einfach von der Stromstärke abhängig ist und umgekehrt; hier ist aber die Arbeit für eine Umdrehung unveränderlich, weil der Druck beim Eintritte unveränderlich ist. Diese Art der Regulirung hat der Marineingenieur Pollard angewendet. Sie ist zu empfehlen, weil die auf das Ventil wirkenden Regulatoren die Geschwindigkeit der Dynamo zu stark vermindern, die auf einen im Hauptstromkreise liegenden Widerstand wirkenden aber stets eine ziemlich bemerkbare elektrische Energie verbrauchen. Nach der Selbstregulirung erscheint dies die zweckmäſsigste Regulirung für die Stromstärke. Schluſsbemerkungen. Alle diese verschiedenen elektrischen Regulatoren der Spannung und der Stromstärke arbeiten nicht so sicher als die Geschwindigkeitsregulatoren, bei denen das Schwungrad um so kräftiger werden muſs, je gröſser die zu erzielende Gleichmäſsigkeit ist. Bei den elektrischen Regulatoren fehlt das Schwungrad. Daher erzeugt eine plötzliche Ausschaltung einer merklichen Zahl von Lampen oder empfangenden Maschinen eine starke Stromstärkenvermehrung, bis der Regulator gewirkt hat, und diese kann selbst bei kurzer Dauer Schaden anrichten. Wollte man die Regulatoren äuſserst rasch wirkend machen, so würden sie die neue Gleichgewichtslage überschreiten und in verderbliche Schwingungen gerathen. Speicherbatterien (vgl. Croſsley, Goolden und Trotter, 1887 265 * 438) als Ersatz für die Schwungräder anzuwenden, wäre nicht nur kostspielig, sondern diese Batterien geben auch nicht die Spannung wieder, die zu ihrer Ladung erforderlich ist; auſserdem würden die dabei nöthigen selbsthätigen Umschalter nicht rascher wirken als die Regulatoren. Für Gleichstrom wäre das wirkliche elektrische Schwungrad ein Condensator; den kann man aber nicht anwenden, weil man ihm eine ungeheuere Gröſse geben müſste. Die Regulatoren sind demnach besonders bei groſsen Anlagen anzuwenden. In einer groſsen Stadt werden die Lampen zwar ungefähr zu gleicher Zeit angezündet und ausgelöscht, aber doch nicht in demselben Augenblicke. Als Ergänzung kann noch ein mit der Hand zu bedienender Widerstand beigegeben werden, den der Maschinist im Falle des Bedarfes und bei etwaiger Beschädigung des Regulators handhabt. Für kleine Anlagen empfiehlt sich die vor einigen Jahren von Marcel Deprez aufgefundene Selbstregulirung. Der dritte Theil der Arbeit befaſst sich mit dieser Selbstregulirung der Dynamomaschinen, über welche Deprez am 16. Mai 1881 der französischen Akademie ausführliche Mittheilung gemacht hat, während Brush schon früher an die Anwendung einer doppelten Bewickelung der erregenden Magnete zur Erzielung einer unveränderlichen Stromstärke gedacht haben soll.Siemens und Halske zogen ein 1882 am 20. Juni eingereichtes Patentgesuch zurück, da sich herausstellte, daſs Sinsteden schon 1871 eine derartige „gemischte Schaltung“ angegeben hatte und später auch Andere; vgl. 1883 248 * 284. Es wird gezeigt, daſs und wie diese Selbstregulirung durch die „gemischte Wickelung“ (Compound-Wickelung; vgl. 1883 250 470; 1884 251 24) sowohl für unveränderliche Spannung, als für unveränderliche Stromstärke erreicht werden könne, also indem man den erregenden Elektromagneten eine doppelte Bewickelung gebe und die eine in den Hauptstromkreis, die andere aber in einen Nebenschluſs lege. Sodann wird mitgetheilt, daſs in Transformatoren die Spannung des secundären Stromes unveränderlich und unabhängig von der Zahl der brennenden Lampen sei, wenn nur die Spannung des ihnen zugeführten primären Stromes unveränderlich erhalten werde; Zipernowsky hat dies durch den Versuch nachgewiesen, es läſst sich auch mathematisch beweisen. Man kann z.B. durch Reguliren mit der Hand die Spannung an der Stelle der Hauptleiter, wo sie zum ersten Transformator kommen, unveränderlich halten. Zipernowsky zieht es aber vor, diese Regulirung des primären Stromes (einer Wechselstrommaschine) in verwandter Weise wie bei den Maschinen mit gemischter Wickelung zu bewirken; er entnimmt den erregenden Strom für die Elektromagnete zwei Transformatoren, deren secundäre Wickelungen hinter einander in den Stromkreis der Elektromagnete geschaltet sind, während die primäre Wickelung des einen (des Compensators) in den Hauptstromkreis gelegt ist und die primäre Wickelung des zweiten, hauptsächlich die Erregung bewirkenden Transformators (des Magnetisators) in einem Nebenschlusse zu den Hauptleitern liegt; durch einen Stromwender werden die Wechselströme im secundären Stromkreise in gleichgerichtete verwandelt. Westinghouse in Pittsburg, dessen Transformatoren denen Zipernowsky's ähnlich sind, hat diese Regulirungsweise so vervollkommnet, daſs man von 100 Glühlampen 99 auslöschen kann, ohne daſs die übrig bleibende gefährdet wird; bleibt von 2500 Lampen eine einzige brennen, so steigt die elektromotorische Kraft um nicht mehr als 2 bis 3 Proc. Im vierten Theile werden die Geschwindigkeitsregulatoren für elektrische Motoren besprochen, zunächst die Centrifugalregulatoren, dann die Selbstregulirung (bei doppelter Bewickelung) bei Gleichstrom und bei Wechselströmen (vgl. auch Sprague, 1887 265 * 433). Der fünfte Theil ist den Regulatoren der Bogenlampen gewidmet. Zuerst werden die Regulatoren für einzelne Lampen (monophotes) mit Solenoid im Hauptstromkreise (Foucault, Duboscq, Gaiffe, Serrin, Jaspar, Archerau, Reynier, Cance u.a.) besprochen, dann die Regulatoren für mehrere hinter einander geschaltete Lampen (poylphotes) mit Solenoid im Nebenschlusse (Lontin, de Mersanne, Gramme, Cance, Pieper u.a.), darauf die Regulatoren für mehrere Lampen mit zwei Differential-Solenoiden (Siemens, Piette und Krizik) und mit einem Solenoide mit doppelter Bewickelung (Brush, Weston). Vgl. auch 1882 243 428 und Doubrava's nachstehend mitgetheilte Studien. Den Schluſs bilden einige kurze Winke über die je nach den vorliegenden Verhältnissen zu wählenden Einrichtungen, erläutert an vier Anlagen von verschiedener Gröſse und Bestimmung.