Der gegenwärtige Stand des Fördermaschinenbaus mit besonderer Berücksichtigung des elektrischen Antriebes. Von Ingenieur K. Drews. Der gegenwärtige Stand des Fördermaschinenbaus mit besonderer Berücksichtigung des elektrischen Antriebes. Es ist bereits im vorigen Jahrgang dieser Zeitschrift S. 2 darauf hingewiesen worden, daß im Bergbau die elektrische Kraftübertragung recht früh Verwendung gefunden hat. Heute dürfte es wohl wenige Gruben geben, die nicht mehr oder weniger umfangreiche elektrische Kraftwerke besäßen. Dampf, Druckluft und Druckwasser als Betriebskräfte für Bergwerksmaschinen sind dort einer scharfen Konkurrenz von Seiten der Elektrizität ausgesetzt. Ueber und unter Tag sehen wir von den großen Vorteilen elektrischer Energieverteilung für Licht- und Kraftzwecke den ausgiebigsten Gebrauch machen. Da linden wir elektrische Gesteinsbohrmaschinen, elektrisch angetriebene Ventilatoren, Pumpen, Streckenförderungen, elektrische Lokomotiven, Förderhaspel und Fördermaschinen.. Bei manchen dieser maschinellen Vorrichtungen dürfte der Sieg der Elektrizität schon heute entschieden sein, so z.B. bei den Ventilatoren, den Streckenförderungen, den Förderhaspeln und den Pumpen. Die mit dem Elektromotor direkt gekuppelte Hochdruckzentrifugalpumpe drängt die Kolbenpumpe mit Dampfantrieb sowohl als Wasserhaltungs- wie als Abteufpumpe immer mehr zurück. Bei anderen Bergwerksmaschinen ist der Sieg noch unentschieden; das gilt z.B. von den Grubenlokomotiven; hier ist der elektrischen Lokomotive ein scharfer Konkurrent. in der Benzinlokomotive entstanden. Ein hitziger Kampf wird ferner noch heute zwischen elektrischer und Dampf-Hauptschacht-Fördermaschine geführt. Es lag zunächst keine Veranlassung vor, die über Tag meist in der Nähe des Kesselhauses gelegene Hauptschacht-Fördermaschine anstatt mit Dampf mit Elektrizität zu betreiben. Die Dampfzuführung bot hier keine Schwierigkeiten, höchstens wenn die Dampfleitung zu entfernten Nebenschächten geführt werden mußte, konnte sie unbequem und kraftverzehrend sein. Wohl sind namentlich die älteren Fördermaschinen arge Dampffresser, aber über der an und für sich wünschenswerten Dampfökonomie steht dem Bergmann doch die Betriebssicherheit und Manövrierfähigkeit dieser für ihn so überaus wichtigen Maschine. Und darin hat sich die Zwillingsdampffördermaschine trotz mancherlei Mängel auch gut bewährt. Es hat also eine gewisse Berechtigung, wenn der Bergmann zum Teil auch heute noch, wo die Kinderkrankheiten der elektrischen Fördermaschinen doch als überwunden anzusehen sind, an dem alten Bewährten testhält oder dem Neuen doch nur zögernd und mißtrauisch gegenübertritt, obwohl er sich mit dem elektrischen Antrieb anderer Bergwerksmaschinen schon lange befreundet hat. Dazu kommt noch, daß der größere Teil der älteren Betriebsbeamten nur geringe, manchmal auch wohl gar keine elektrotechnischen Kenntnisse besaß; sie hatten wohl in ihren Studienjahren Elektrizitätslehre genossen, aber vom Standpunkte der reinen Physik. Erst jetzt gelangt die Generation in leitende Stellungen, die die Elektrotechnik als einen Teil der Maschinentechnik studiert hat und daher von vornherein vertrauter mit diesem neuen Kraftmittel ist. Das gleiche gilt auch von den Bedienungsmannschaften. Die elektrische Fördermaschine erfordert im allgemeinen weniger Geschicklichkeit im Steuern und ist leichter zu handhaben als die Dampffördermaschine. Zudem kann die Automatik dort in bequemer Weise viel weiter getrieben werden als hier, so daß ein Maschinist ja in kurzer Zeit angelernt werden kann, soweit die nötigen Handhabungen in Frage kommen. Der Führer einer elektrischen Fördermaschine wird indes eines gewissen Maßes elektrotechnischer Kenntnisse nicht entbehren können. Er muß doch wenigstens wissen, welche Vorgänge sich in der Fördermaschine abspielen und was geschieht, wenn er den Steuerhebel in irgendeine Stellung bringt; er muß die Bedeutung von Strom und Spannung kennen, er muß die Sprache der Meßinstrumente am Schaltbrett in ihrem Zusammenhang mit dem Elektromotor verstehen. Auch sollte er wohl die Ursachen etwaiger Störungen erkennen und diese beseitigen können. Das ist bei der Dampfmaschine alles viel leichter zu begreifen und auszuführen als beim Elektromotor. Dort hat der Mann einen sichtbaren Körper, den Dampf, vor sich; die Beziehungen zwischen diesem und dem Steuerhebel sind einfach und durchsichtig. Grade das Körperlose der Elektrizität macht den, der gewohnt ist, hauptsächlich mittels Auge und Ohr mit der Außenwelt zu verkehren, stutzig und ihr oft scheinbar unberechenbares, launisches Verhalten ratlos. Aber abgesehen von allen diesen äußeren Schwierigkeiten hatte die elektrische Fördermaschine anfänglich noch mit den viel größeren inneren zu kämpfen. Eine Fördermaschine ist ja weiter nichts als eine Aufzugswinde, allerdings allergrößten Stiles; sie gehört mithin zur Gruppe der Lasthebezeuge, und sie arbeitet unter den gleichen Bedingungen wie diese. Das Bezeichnende an ihr ist ebenfalls der intermittierende Betrieb, bei dem der An- und Auslauf eine so hervorragende Bedeutung erhält. Wenn die Fördermaschine gewöhnlich mit den Lasthebezeugen zusammen nicht behandelt wird, so liegt das daran, daß sie einmal eine spezielle Bergwerksmaschine ist und dann, daß zwischen ihr und den Lasthebezeugen im engeren Sinne, wie Kranen und Winden, ein großer, unausgefüllter Zwischenraum liegt, nämlich bezüglich der Leistung. Bei diesen dürfte die Leistung des Hubmotors nur in seltenen Fällen 150 PS übersteigen, bei jenen sind aber Durchschnittsleistungen von 1000 PS und mehr keine Seltenheit. Wenn bei Lasthebezeugen Hubhöhen von 50 m und Hubgeschwindigkeiten von 1–2 m/Sek. kaum überschritten werden, so handelt es sich bei den Fördermaschinen um Hubhöhen von 500–700 ja 1000 m und um Geschwindigkeiten bis zu 20 m/Sek. Schon bei der Besprechung der Schrägaufzüge für Hochofen im vorigen Jahrgang S. 168 u.f. ist darauf hingewiesen worden, daß bei Motorleistungen über 100 PS die gewöhnlichen Kontroller, deren Kontakte den vollen Betriebsstrom führen, sehr groß und unhandlich ausfallen. Es handelte sich bei den elektrischen Fördermaschinen um die Lösung hauptsächlich zweier Fragen, nämlich um die Beherrschung der hohen Anlaufstromstärken in den Steuerapparaten und um den Ausgleich der, Kraftschwankungen während eines Förderzuges oder Treibens so zwar, daß das Kraftwerk von der Fördermaschine her möglichst gleichmäßig belastet wird. Textabbildung Bd. 324, S. 162 Fig. 1. Schematisches Leistungs- und Geschwindigkeitsdiagramm einer Fördermaschine. Beschleunigung 1 m/Sek.; Fördergeschwindigkeit 16 m/Sek.; Verzögerung 2 m/Sek. Wir wollen nun vorläufig annehmen, daß der Fördermotor ein Gleichstrommotor ist. Da die weitaus meisten Betriebe Drehstrom in ihren Kraftwerken erzeugen, so muß dieser erst umgeformt werden; es wird also immer ein Drehstrom-Gleichstromumformer für eine oder mehrere Fördermaschinen vorhanden sein. Wollte man nun, wie gewöhnlich bei Kranen, das Anlassen und Regulieren des Fördermotors durch Aenderung des Widerstandes im Ankerstromkreise bewirken, so müßten die Kontakte der Steuerapparate Stromstärken oft bis 2000 Amp. und darüber führen. Eine starke Abnutzung der Gleitkontakte und auch sonstige Unbequemlichkeiten baulicher Natur würden die Folge sein. Die Elektrotechnik hat nun auf Mittel gesonnen, die Steuerung so einzurichten, daß durch den eigentlichen Steuerapparat nicht der volle jeweilige Betriebsstrom, sondern nur ein ganz geringer Teil geht, daß dieser Apparat also verhältnismäßig klein und handlich ausfällt und seine Kontakte nur geringem Verschleiß ausgesetzt sind. Eine solche Anordnung haben die Leser dieser Zeitschrift schon im vorigen Jahrgang S. 179 bei den Hochofen-Schrägaufzügen und auch bei den Spills S. 146 kennen gelernt, nämlich die Schützensteuerung der A.E.G. Hier geht durch den sogenannten Führerkontroller nur Strom von geringer Stärke, der lediglich zur Betätigung der Relais dient, die ihrerseits die eigentlichen Starkstromsteuerapparate, die Schützen, betätigen. Wenn nun auch durch das momentane Ausschalten und dadurch, daß die Kontakte der Schützen bis zum letzten Augenblick mit voller Fläche anliegen, der Verschleiß ein geringer ist, so dürfte sich diese Steuerung für Fördermaschinen kaum eignen, da das Unschädlichmachen des Oeffnungsfunkens für so große Stromstärken doch auf Schwierigkeiten stoßen würde. Die Schützensteuerung ist daher meines Wissens auch niemals bei Fördermaschinen verwandt worden. An dem Prinzip des Anlassens und Regulierens mittels Widerstandsänderung im Ankerstromkreise hat die Schützensteuerung im übrigen nichts geändert. Diese Reguliermethode setzt eine konstante Spannung voraus. Der Steuerapparat, sei es nun ein Kontroller oder Schützen, den man zwischen Stromerzeuger, der Dynamo, und Stromverbraucher, dem Motor, einfügt, gleicht in seiner Wirkung völlig dem Drosselventil einer Dampfmaschine; gleich diesem drosselt er die Spannung, hier des Netzes, mehr oder weniger ab. Ebenso wie das Arbeiten mit dem Drosselventil unwirtschaftlich ist, ist es auch die Widerstandsregulierung. Die Stromverluste beim Anfahren und bei kleineren Fördergeschwindigkeiten als der normalen sind sehr groß. Wenn man nun den Gang einer Dampffördermaschine nicht durch ein Drosselventil, sondern durch Aenderung des Druckes im Dampfkessel selbst regulierte, so würden die Verluste weit geringer sein. Das Gegenstück zum Dampfkessel ist bei der elektrischen Fördermaschine der Stromerzeuger, die Dynamo. Auch hier würde man eine verlustlose Regulierung des Fördermotors erreichen, wenn man die Bürstenspannung der Dynamo nach Bedarf änderte. Was nun aber beim Dampfkessel praktisch nicht gut ausführbar ist, ist bei einer Dynamo spielend leicht zu erreichen, ein Beweis, wie schwerfällig jede andere Betriebskraft gegenüber der Elektrizität ist. Die Klemmenspannung einer Dynamomaschine wird durch die Gleichung c=\frac{K\,n\,Z}{30\cdot 10^8} ausgedrückt, ist also eine Funktion der Kraftlinienzahl K des Feldes und der Umlaufzahl n, die Anzahl Z der Windungen konstant gedacht. Die Umlaufzahl wird man aus naheliegenden Gründen nicht ändern; es bleibt also die Spannungsregulierung mittels Aenderung der Felderregung K durch einen Regulierwiderstand im Erregerstromkreis der Dynamo übrig. Diese Art der Regulierung, nach dem Amerikaner Leonard, der sie zuerst anwandte, Leonard-Schaltung genannt, wird nun heute bei Fördermaschinen fast ausschließlich angewandt, sofern der Fördermotor ein Gleichstrommotor ist. Der große Vorteil der Leonard-Schaltung besteht darin, daß die Regulierung der Umlaufzahl des Fördermotors von Null bis zu einem Höchstwert verlustlos vor sich geht und daß durch die Kontakte des Steuerapparates nur der Erregerstrom der Dynamo, etwa 5% der Betriebsstromstärke, fließt; man kommt mithin mit verhältnismäßig kleinen, leicht zu handhabenden Kontrollern aus. Der zweite Punkt, der, wenn er auch eigentlich keine Schwierigkeiten bot, so doch Ueberlegung erforderte, wie man mit den geringsten Kosten zum Ziele gelangt, ist der Ausgleich der außerordentlich schwankenden Energieentnahme einer Fördermaschine. Fig. 1 zeigt das schematische Schaubild eines Förderzuges. Entsprechend der Beschleunigung steigt die Leistung beim Anfahren bis nahezu 2000 PS; nachdem die Höchstgeschwindigkeit erreicht ist, fällt sie auf 600 PS und erreicht in der Verzögerungsperiode einen negativen Wert von etwa 2000 PS, d.h. der Förderungsmotor gibt beim Bremsen Energie zurück. Die durchschnittliche Leistung des Fördermotors während eines Treibens einschließlich der Sturzpause beträgt nach Fig. 1 etwa 400 PS. Wenn die Fördermaschine in dem Kraftwerk nun einen eigenen Generator hätte, dann würden diese Schwankungen ja an und für sich nichts schaden, wenn nur dieser genügend überlastungsfähig wäre. In der Regel arbeiten jedoch alle Generatoren des Kraftwerkes auf ein gemeinsames Netz für Licht und Kraft. Eine möglichst konstante Belastung- von Seiten der Fördermaschine erscheint daher Erfordernis. Nur dort, wo die Gesamtleistung des Kraftwerkes gegenüber der Höchstleistung der Fördermaschine sehr groß ist, so daß die schwankende Energieentnahme dieser den Gang der Generatoren wenig beeinflußt, kann man von einer Abpufferung der Stromstöße Abstand nehmen. Ein bekanntes Mittel für eine solche Abpufferung bietet ja eine Akkumulatorenbatterie. Diese ist denn auch bei der ersten größeren elektrischen Fördermaschine, nämlich auf der Zeche Zollern II der Gelsenkirchener Bergwerks-A.-G.D. P. J. 1902, S. 379 u.f. zu diesem Zweck verwandt worden. Eine solche Pufferbatterie mit Zubehör, selbsttätigem Zellenschalter u. dgl. ist aber recht teuer und nimmt viel Raum ein. In der Regel wird eine Aufgabe auf elektrischem Wege eine elegantere und meist bequemere Lösung ergeben als auf mechanischem Wege. Es gibt indes auch Ausnahmen und eine solche liegt hier vor, wenn man nicht eine Akkumulatorenbatterie, sondern ein Massenschwungrad zum Belastungsausgleich benutzt. Textabbildung Bd. 324, S. 163 Fig. 2. Anordnung einer elektrischen Fördermaschine mit Ilgner-Umformer und Leonard-Schaltung; a Hochspannungs-Schaltkasten, b Steuerbock. c Anlasser. d Feldschwächer. e Steuerapparat. f Notausschalten. g Hubzylinder der Sicherheitsbremse. h Teufenzeiger mit Sicherheitsapparat. A Ankerstromkreis. DM Drehstrom-Umformermotor. ED Erreger-Dynamo. E Erregerstromkreis. FM Fördermotor. GD Gleichstrom-Anlaßdynamo. S Schwungrad. T Trommeln. Das Schwungrad in seiner Eigenschaft als Kraftspeicher ist ja allbekannt. In unserem Falle müßte es den Kraftüberschuß von der Generatorseite aufnehmen und ihn im gegebenen Augenblick an den Fördermotor abgeben. Seine Aufgabe kann es natürlich nur erfüllen durch Aenderung seiner Umfangsgeschwindigkeit. Die Wirkung ist nun die, daß das Kraftwerk durch die Fördermaschine eine nahezu konstante Belastung erfährt, die der durchschnittlichen Förderleistung nahe kommt. Einen solchen Umformer mit Schwungrad als Belastungsausgleich nennt man nun nach seinem Erfinder Ilgner-Umformer. Nach diesem System, Ilgner-Umformer mit Leonard-Schaltung werden heute fast alle größeren elektrischen Fördermaschinen gebaut. Fig. 2 zeigt das Schema einer solchen Anlage im Anschluß an das Kraftwerk. Auf der Welle I des Umformer-Aggregates sitzen von rechts nach links der Drehstrommotor DM, das Schwungrad S, die Anlaßdynamo GD und die kleine Erregerdynamo ED, die den Erregerstrom sowohl für die Anlaßdynamo wie für den Fördermotor liefert. Auf der Welle II der Fördermaschine sitzen die zylindrischen Fördertrommeln T und der Fördermotor FM. Die Vorgänge während eines Förderzuges mögen an Hand des Schaltungsschemas, Fig. 3, und des Schaubildes, Fig. 1, verfolgt werden. Zu Beginn einer Förderschicht wird der Umformmotor DM, in bekannter Weise mittels des Anlassers c (Fig. 2) angelassen, bis er nahezu seine höchste Umlaufzahl erreicht hat; die Anlaßdynamo GD läuft vorläufig leer. Nun ist alles zur Förderung bereit. Der Führer legt den Steuerhebel langsam nach der gewünschten Fahrtrichtung um, dadurch schaltet er Widerstand aus dem Erregerstromkreis der Anlaßdynamo aus. So liegt z.B. in Vorwärts-Stellung 3 des Steuerhebels nur noch der Widerstand W3 im Stromkreis. Der Strom fließt in der Pfeilrichtung von der Bürste der Erregerdynamo über die Schiene S1, die Brücke am Steuerhebel durch W3, die Feldwicklung F2 der Anlaßdynamo über die Schiene S3, die Brücke am Steuerhebel und die Schiene S2 zurück in die andere Bürste der Erregerdynamo. Legt der Führer den Steuerhebel nach rückwärts aus, dann wird die Stromrichtung in der Erregerwicklung F2 der Anlaßdynamo und damit auch die des Ankerstromes des Fördermotors umgekehrt, d.h. dieser wird umgesteuert. Textabbildung Bd. 324, S. 163 Fig. 3. Schaltungsschema einer Fördermaschine mit Ilgner Umformer und Leonard-Schaltung; a rückwärts, b vorwärts. A Drehstromnetz, B Regulierwiderstand, C Regulator, D Schwungrad, E Steuerhebel, F Stromrichtung für vorwärts, F1, F2 Dynamofeld, F3 Motorfeld, DM Umformermotor, ED Erregerdynamo, FM Fördermotor, GD Anlaßdynamo. Durch das Abschalten von Widerstand wächst die Erregerstromstärke der Dynamo und damit auch ihre Klemmenspannung. Die Anlaßdynamo sowie der Fördermotor sind Nebenschlußmaschinen. Die Umlaufzahl eines Nebenschlußmotors mit konstanter Erregung häng nun lediglich von seiner Ankerklemmenspannung ab. Die Fördermaschine wird also nach der ansteigenden strichpunktierten Linie in Fig. 1 beschleunigt werden und ihre höchte Fördergeschwindigkeit bei ganz ausgelegtem Steuerhebel erreichen. Nähert sich der Förderkorb der Hängebank, so müssen die Massen der Fördermaschine verzögert werden. Der Führer geht mit dem Hebel in einem gewissen Tempo bis in die Nullstellung zurück. In jeder neuen Hebelstellung stimmt anfänglich die jeweilige Ankerspannung des Motors mit seiner jeweiligen Umlaufzahl nicht überein, oder es ist das Gleichgewicht zwischen Ankerspannung und elektromotorischer Gegenkraft gestört, und zwar so, daß diese überwiegt. Der Fördermotor gibt mithin unter dem Antrieb der bewegten Massen Strom an die Anlaßdynamo zurück, d.h. der Motor leistet nun Bremsarbeit. Die Fördergeschwindigkeit und die Bremsleistung des Motors nehmendann entsprechend den betreffenden Linien in Fig. 1 bis Null ab. Solange die Leistungskurve des Fördermotors über der Leistungskurve des Umformermotors DM (Fig. 3) liegt, also von a bis b (Fig. 1), muß der Ueberschuß der Förderleistung über die konstante Leistung der Zentrale durch das Arbeitsvermögen des Schwungrades gedeckt werden. Wollte der Umformermotor die Mehrleistung decken, so wäre das nur durch Verminderung seiner Umlaufzahl möglich; daran hindert ihn aber vorläufig das Schwungrad. Erst nach einem Tourenabfall würde der Umformermotor mehr belastet werden, d.h. mehr Strom aufnehmen. Die selbsttätige Regulierung hat nun die Aufgabe, die Leistung des Motors, also die Belastung des Kraftwerkes, trotz der Aenderung der Umlaufzahl konstant zu halten. Dies geschieht durch Ab- und Zuschalten von Widerstand in dem Rotorstromkreis des Umformermotors, und zwar nach Fig. 3 mit Hilfe des FliehkraftreglersEin Fliehkraftregler wird heute nicht mehr für diesen Zweck verwandt. Die Siemens-Schuckert-Werke verwenden hierfür ein Stromrelais, die A.E.G. einen Schlupfregler. Die obige ältere Anordnung ist nur wegen der übersichtlichen Darstellung gewählt worden. C. Von Punkt b (Fig. 1) an verbraucht der Fördermotor nicht nur keinen Strom, sondern liefert solchen an die Anlaßdynamo GD zurück, diese als Motor antreibend. Beide, die Anlaßdynamo und der Umformermotor DM laden nun das Schwungrad D wieder auf, wobei der Fliehkraftregler C durch Abschalten von Widerstand die Belastung des Motors konstant erhält. Von c an geht die gesamte dem Kraftwerk entnommene Energie in das Schwungrad über. Hat dieses seine höchste Umlaufzahl, bestimmt durch die des Drehstrommotors bei abgeschalteten Regulierwiderständen B, erreicht, dann würde dessen Leistung sinken, da nunmehr nur die Lagerreibung und der allerdings nicht geringe Luftwiderstand des Schwungrades zu überwinden sind. Es wird jedoch meistens die Anordnung so getroffen, daß bei regelrechtem Betriebe in jenem Augenblick ein neues Treiben beginnt. Im anderen Falle, also bei längerer Förderpause, würde die Leistungslinie des Umformermotors Einbuchtungen nach unten aufweisen. (Fortsetzung folgt.)