Neuerungen auf dem Gebiete der elektrischen Maschinen. Von Dipl.-Ing. Bujes, Charlottenburg. (Fortsetzung von S. 356 d. Bd.) Neuerungen auf dem Gebiete der elektrischen Maschinen. Eine besondere Schwierigkeit bildet bei Unipolarmaschinen die Ankerrückwirkung, die von den Schleifringen und dem Anker herrührt. Fig. 7 zeigt deutlich, daß bei der Rotation des Ankers, nicht die Richtung, wohl aber die Stärke des Stromes sich in beiden Teilen eines eines jeden Schleifringes ändert, und da die Ringe von magnetischem Material umgeben sind, werden die in ihnen fließenden Ströme magnetomotorische Kräfte wechselnder Größe und Richtung hervorrufen, was Hysteresis- und Wirbelstromverluste in den massiven Stahlgußteilen und der Armatur zur Folge hat. Diese nachteiligen Wirkungen werden jedoch durch eine sinnreiche Verteilung der Bürsten B und der Anschlußpunkte P auf dem Umfang der einzelnen Schleifringe, wie die Praxis zeigt, vollständig beseitigt: Bei einer größeren Anzahl von Schleifringen, die bei dieser Art Maschinen mit höherer Spannung stets vorhanden sind, liegen die Anschlußpunkte P auf einer Spirale von einer oder mehr Umgängen, während die Auflagepunkte der Bürsten B eine entgegengesetzt laufende Spirale von ein oder mehr Windungen bilden. Bei dieser Anordnung ist in jedem Augenblick die Summe der magnetomotorischen Kräfte und damit die Hysterese, gleich Null. Fig. 6 zeigt wieder die Ausbildung des Ankerfeldes und gegenseitige Neutralisierung der Ankerkraftlinien innerhalb des Ankers, ferner das Querfeld, das im Magnetgestell verläuft und selbstverständlich bei Belastungen zu großen Spannungsabfällen führen würde. Damit eine wirkliche Neutralisierung der Kraftlinien innerhalb des Ankers eintritt, legt Noeggerath flache Kupferleiter recht dicht nebeneinander am Ankerumfang (Fig. 6 unten rechts); damit auch die Rückleiter im Verein mit den Ankerströmen keine Ungleichförmigkeit im Hauptfeld, und damit Ummagnetisierungsverlust verursachen, werden die Rückleiter an die Außenseite des Magnetgestells angelegt (Fig. 8); die stromdurchflossenen Rückleiter neutralisieren vollständig das vom Anker hervorgerufene Querfeld. Zu berücksichtigen sind noch die Ohmschen- und Bürstenreibungsverluste. Die Ohmschen Verluste sind bei der kleinen Anzahl von Leitern verschwindend kleine, so daß der Hauptverlust einer Unipolarmaschine in der Bürstenreibung zu suchen ist. Da zu jedem Ankerleiter zwei Schleifringe gehören, würden dann zu einer 1000 RW-Maschine bei 1200 Touren/Min, und 600 Volt Spannung 22 Leiter und 44 Schleifringe gehören. Bei J = 1670 Amp. und 4 qmm Bürstenfläche für 1 Amp. und 900 qmm Auflagefläche für jede Bürste, sind etwa 8 Bürsten f.d. Schleifring, 8 × 44. = 352 Bürsten für die Maschine notwendig. Das ist auf den ersten Blick eine ungemein hohe Zahl, dennoch würde eine Kommutatormaschine unter denselben Verhältnissen etwa 600 Kommutatorlamellen und ebenfalls etwa 300 Bürsten brauchen! Textabbildung Bd. 324, S. 377 Fig. 8. Feste Leiter der Unipolarmaschine, die an der Außenseite des Gehäuses befestigt sind. Nach Untersuchungen von NoeggerathE.B. 1908, Heft 28. hat eine 300-KW-Unipolarmaschine bei 3000 Umdreh. einen Wirkungsgrad von 91 v.H. Auch ihre Betriebssicherheit und Ueberlastungsfähigkeit ist nicht zu unterschätzen. Nach Angaben von Noeggerath soll eine 2000-KW-Maschine einen Kurzschluß bei voll erregter Maschine anstandslos ausgehalten haben; die bei derselben Maschine beobachteten Laststöße, ± 200 über normal sollen auf sie ohne Einfluß gewesen sein. Textabbildung Bd. 324, S. 378 Fig. 9a. Prinzipskizze einer Unipolarmaschine. Durch Verstellung der Bürsten mittels einer Bürstenbrücke kann man auch ohne weiteres ein Kompoundierung bei Generatoren herbeiführen, und die Geschwindigkeit und Zugkraft bei Motoren verändern. Allerdings kann die Unipolarmaschine nach den heutigen Erfahrungen nur für größere Einheiten, insbesondere bei höheren Spannungen, wirtschaftlich gebaut werden; für kleinere Leistungen wird sie in den meisten Fällen zu schwer sein. Für 600 V. würde die untere Grenze 1000 KW. sein, für niedrigere Spannungen können allerdings auch kleinere Einheiten noch gut gebraucht werden. Das Anwendungsgebiet der Unipolarmaschinen wäre demnach: Antrieb von großen Ventilatoren, Schleuderpumpen, ferner als Generatoren, gekuppelt mit Dampfturbinen und schnelllaufenden Wassermotoren. Textabbildung Bd. 324, S. 378 Fig. 9b. Unipolarmaschine für 6 Volt und 8000 Amp., direkt gekuppelt mit einem Gleichstrommotor. Den konstruktiven Aufbau zeigt Fig. 9a u. 9b. Der Fortfall des Kommutators, die Einfachheit der Felderregung, der massive Ankerkörper und das nicht unterteilte Eisen des Magnetgestells, die Ausnutzung der Zentrifugalspannungen (infolge der hohen Tourenzahlen) zur Verbesserung der Bürstenauflageverhältnisse, die geringe Anzahl von Ankerleitern, der gute Wirkungsgrad, all das sind Gesichtspunkte, die der Unipolarmaschine in den oben angegebenen Grenzen wohl auch in Europa Bahn brechen werden; überall dort, wo die Kommutatormaschine mit der Schwierigkeit bei der Kommutation auf Grund hoher Geschwindigkeit zu kämpfen haben wird, wird sie wahrscheinlich durch eine Unipolarmaschine ersetzt werden können. Jedoch hat unzweifelhaft die Einführung der Wendepole jetzt die Verbreitung mancher Spezialmaschinen erst recht gefördert. Und so findet immer mehr Verwendung die umkehrbare Zusatzmaschine, System Pirani, auf Grund verbesserter Wirkungsweise der Gleichstrommaschinen, insbesondere in Betrieben mit stark wechselnder Belastung. Sie hat den Zweck, bei starker Netzbelastung die übermäßige Inanspruchnahme der Hauptmaschinen zu verhindern, und dafür die Pufferbatterie zur Entladung zu zwingen; bei geringem Netzstrom dagegen fällt ihr die Aufgabe zu, die Hauptmaschinen zum Laden der Batterie heranzuziehen. Das Schaltungschema einer solchen Anlage zeigt Fig. 10. Textabbildung Bd. 324, S. 378 Fig. 10. Die Pufferbatterie B ist mit der Zusatzmaschine ZD stets in Serie geschaltet. Die Erregung der Piranimaschine wird von einer besonderen Erregermaschine ED gespeist, die mit den Zusatzdynamo und Antriebsmotor ein Aggregat bildet (Siehe Schaltungschema) und nach Art von Compoundmaschinen gebaut ist. Das Nebenschlußfeld NF wird von der Batteriespannung beeinflußt, das Hauptschlußfeld dagegen, welches dem ersteren entgegenwirkt, ist durch den Shunt W vom Netzstrom abhängig. Auf diese Weise kann die Erregermaschine in die Erregung der Zusatzdynamo in zwei entgegengesetzten Richtungen Strom schicken, und damit einmal eine positive, das andere Mal eine negative Spannung der Zusatzmaschine bewirken, wodurch die Batterie sich entladet, resp. von den Hauptmaschinen und der Zusatzmaschine geladen wird. Die beiden Wicklungen werden so gewählt, daß sie bei mittlerer Belastung der Hauptmaschinen sich das Gleichgewicht halten, d.h. die Batterie wird weder geladen, noch entladen. Damit man es noch in der Hand hat, je nach dem Ladungszustand der Batterie eine stärkere Ladung, als Entladung, oder auch umgekehrt, zu erzwingen, verwendet man im Stromkreis der Erregerdynamo ein Elektrolytisches Ventil (Aluminium-Eisenzelle), parallel geschaltet mit einem regulierbaren Widerstand. Damit erreicht man bei zwei gleichen, aber dem Vorzeichen nach entgegengesetzten Erregungen der Erregerdynamo, zwei verschiedene Erregungen der Zusatzdynamo, und damit verschiedene Wirkungen im Lade- resp. Entladezustand der Pufferbatterie. Zum vollen Aufladen der Batterie werden die beiden Kommutatoren der Piranimaschine in Serie geschaltet (Fig. 11), was natürlich nach Betriebsschluß geschieht: im Betrieb arbeiten beide Kommutatoren parallel, der höheren Entladestromstärke wegen. Der schwierigen Kommutation wegen sind Zusatz -und Erregerdynamo mit Wendepolen versehen. B. Wechselstrommaschinen. Nicht so vielseitig- waren die letzten Neuerungen auf dem Gebiete der Wechselstrom-, wie diejenigen der Gleichstrommaschinen; wir wollen deshalb hier nur auf eine interessante Erfindung zur Konstanthaltung der Spannung bei Wechselstromgeneratoren etwas näher eingehen. Textabbildung Bd. 324, S. 379 Fig. 11. Umkehrbare Zusatzmaschinen, System Pirani, der Siemens-Schuckert-Werke. Die neue Vorrichtung scheint dem allgemeinen Bedürfnis zu entsprechen, sie ohne große Kosten an jeder Maschine, ohne Rücksicht auf Pol- und Drehzahl anbringen zu können. Die bisher bekannteste und am weitesten verbreitete „inhärente,“ d.h. nur durch die magnetischen und elektrischen Eigenschaften der Maschine bedingte Methode wird aus wirtschaftlichen Gründen immer unzulänglicher, denn bei einer Spannungsregulierung von 15 bis 25% muß man schon mit höheren Sättigungen im Eisen, und damit mit einem größeren Kupferaufwand in den Magnetwicklungen rechnen, wenn man nicht gewillt ist, die Leistungsfähigkeit der Maschine noch mehr herabzudrücken. Läßt man aber höhere Spannungsdifferenzen bis 35% zu, dann wird auch das Eisen weniger gesättigt und auch der Kupferaufwand der Magnetwicklung auf ein Minimum reduziert; damit werden die Selbst- und Betriebskosten der Maschine entsprechend verringert. Textabbildung Bd. 324, S. 379 Fig. 12. Charakteristik eines Eisenwiderstandes. Um aber in diesen weiten Grenzen regulieren zu können, muß man einen automatischen Regler der Erregung zur Hilfe nehmen, und dazu scheint die oben erwähnte Methode von Seidner sehr geeignet zu sein (E.T.Z. 08. S. 450). Seidner benutzt die bekannte Eigenschaft eines Eisenwiderstandes, daß er zwischen bestimmten Grenzen sich proportional mit der Spannung ändert (Fig. 12). Zwischen 8–15 Volt bleibt die Stromstärke konstant. Textabbildung Bd. 324, S. 379 Fig. 13. iv Effektivwert des Wechselstromes; ig Gleichstromstärke; J Effektivwert des resultierenden Stromes. Wenn man nun diesem Widerstand gleichzeitig dann ist der resultierende Strom gleich der geometrischen Summe der beiden Komponenten, deren Effektivwerte im Vektordiagramm senkrecht aufeinander stehen (Fig. 13). Bleibt der Strom J konstant, wie es bei den Eisenwiderständen, bei Spannungen zwischen oben erwähnten eine Gleichstrom- und Wechselstromspannung aufdrückt, Grenzen der Fall ist, dann muß sie bei Vergrößerung von iv, ig sich verringern und umgekehrt. Auf diese Weise erhalten wir eine sich automatisch in weiten Grenzen der Belastung regulierende Felderregung bei Wechselstrommaschinen. Selbstverständlich muß die Anordnung in der Weise getroffen werden, daß die Gleichstromstärke in der Magnetwicklung entsprechend dem Ankerstrom steigt, und ferner, daß durch die Uebereinanderlagerung der beiden Stromarten in ein und demselben Kreis keine nachteiligen Wirkungen auftreten. Von diesem Gesichtspunkte aus gelangte Seidner zu der Anordnung (Fig. 14), bei der bedeuten: J = Drehstromgenerator, N = Magnetentwicklung des Generators, n = Nebenschlußwicklung von E, St = Stromtransformator, Sp = Spannungstransformator, rc = Eisenwiderstände, R = 2re – Induktionsloser Widerstand. Textabbildung Bd. 324, S. 379 Fig. 14 Schaltungsschema der neuen Spannungsregulierungs-Methode. Durch eine einfache Ueberlegung kann man sich davon überzeugen, daß die Punkte 2 u. 7 im Spannungstransformator elektrodynamisches Aequipotential haben, so daß der an diese Punkte angeschlossene Stromtransformator vom Strom des Spannungstransformators nicht durchflössen werden kann. Auch die Punkte 10 u. 13 des Stromtransformators haben dynamisches Aequipotential, so daß kein Wechselstrom in den Erregerkreis fließen kann. Wenn auch Gleichstrom in die Teile 5–6, 3–4 von Sp und 9–10, 11–12 von St gelangt, durchfließt er je zwei von ihnen in entgegengesetzter Richtung, so daß auf diese Weise keine Magnetisierung stattfinden kann. Textabbildung Bd. 324, S. 380 Fig. 15. AB Spannung des Stromtransformators; AC Spannung des Spannungstransformators. Die Regulierung selbst geht folgendermaßen vor sich: Die sekundäre Spannung des Stromtransformators eilt der sekundären Spannung des Spannungstransformators um etwa 120° nach Fig. 15. Bei derselben Phasenverschiebung und der Stromstärke Null ist AD ein Maximum, d.h. mit wachsender Stromstärke der Wechselstrommaschine sinkt die Wechselstromspannung am Eisenwiderstand, die Gleichstromstärke steigt und damit auch die Kraftlinienzahl der Felderregung. Bei Phasenverschiebung vergrößert sich der Winkel 120° um ϕ, damit sinkt auch die resultierende Spannung, der Widerstand reguliert dann wieder im Sinne der Phasenverschiebung. Gegen diese Anordnung, die an jedem schon im Betriebe befindlichen Generator ohne Rücksicht auf die Klemmenspannung und ohne große Kosten angebracht werden kann, könnte sich vom theoretischen Standpunkt ein Zweifel geltend machen, ob bei einseitiger Belastung des Drehstromgenerators alle drei Phasen zur Mitwirkung herangezogen werden. Bei einphasigen Wechselstrommaschinen müßte die Anordnung etwas veränderte Gestalt erhalten, um die Phasenverschiebung von über 90° zu erhalten. (Fortsetzung folgt.)