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Durch eine Verbrennungskraftmaschine angetriebener, mittels einer
Erregermaschine fremderregter Generator Bei den für ortsfeste Betriebe gebräuchlichen
Generatoren, die mit nahezu gleichbleibender Spannung arbeiten, wächst die Antriebsleistung
der antreibenden Maschine etwa verhiiltnisgleich mit der Abgabe des Generatorstromes.
Es ist nun bei der Übertragung der Leistung eines Verbrennungsmotors auf die Antriebsräder
eines Fahrzeuges erwünscht, daß die antreibende Maschine mit gleichmäßiger Belastung
arbeitet. Hierfür ist ein Generator für einen ortsfesten Betrieb mit nahezu gleichbleibender
Spannung völlig ungeeignet. Aus diesem Grunde sind bisher für diese Zwecke Generatoren
gebaut worden, die bei hohem Strom eine niedrige Spannung haben und umgekehrt. Eine
völlige Anpassung an eine gleichbleibende Leistungsaufnahme innerhalb des hauptsächlichsten
Arbeitsbereiches dieses Generators ließ sich bisher jedoch nur durch äußere Mittel,
z. B. durch Widerstandsänderung im Erregerstromkreis, erreichen. Die Regelung der
Feldwiderstände kann hierbei von Hand nach den Angaben eines Wattmeters oder auf
selbsttätigem Wege durch entsprechende Relais oder andere Hilfsmittel erfolgen,
die jedoch stets eine unerwünschte Verwicklung der Anlage bedeuten und besondere
Unterhaltungen hervorrufen.
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In Abb. i sind die Kennlinien nach dieser Regelungsart dargestellt.
Die Kennlinie A stellt die Stromspannungscharakteristik bei einer bestimmten Drehzahl
für einen fremderregten Generator mit Gegenverbundwicklung dar. Die günstigste Linie,
bei welcher die aufgenommene Leistung gleichbleibt, ist strichpunktiert dargestellt
und mit B bezeichnet. Es ist zu erkennen, daß die LinieB von der LinieA erheblich
abweicht. Im Hauptarbeitsbereich, welcher zwischen den zwei Schnittpunkten der beiden
Kennlinien liegt, soll nun die Stromspannungscharakteristik durch besondere Mittel
an die Linie B angepaßt werden. Zu diesem Zwecke wird bei vorliegendem Beispiel
ein fünfstufiger Widerstand im Erfegerstromkreis verwendet, durch welchen für die
gleiche Drehzahl die mit Al bis A,-, bezeichneten Charakteristiken des Generators
hergestellt werden können. Der Bedienungsmann stellt nun entsprechend den Angaben
eines Leistungsmessers die eine oder andere Stufe des Erregerwiderstandes ein, so
daß je nach der Einstellung auf einer der Kurven A1 bis A, gearbeitet wird. Die
Regelung
kann naturgemäß auch selbsttätig erfolgen. Bei dieser Regelung
ergeben sich die ausgezogenen Zickzacklinien, die immer nur mit Augenblickswerten
den günstigsten Fall; i Linie B) erreichen. Dementsprechend bleili4: auch nicht
die Leistung gleich (Linie H) ; die, Leistungslinie C hat vielmehr gleichfalls zickzackförmigen
Verlauf und. nähert sich nur in einzelnen Punkten der günstigsten Linie.
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Eine andere Regelungsart, die keiner zusätzlichen Vorrichtung bedarf,
besteht darin, den Generator elektrisch so auszulegen, daß er in seinem Arbeitsbereich
den Verbrennungsmotor überlastet. Die Überlastung bewirkt einen Drehzahlabfall des
Verbrennungsmotors und dadurch eine Verringerung der abgegebenen Spannung, und zwar
fällt die Spannung stärker ab als die Drehzahl, so daß schon ein verhältnismäßig
geringer Drehzahlabfall diejenige Generatorleistung einstellt, die der Verbrennungsmotor
bei der verringerten Drehzahl übernehmen kann. Diese Regelungsweise verzichtet auf
eine ioo°/oige Leistungsausnutzung des Verbrennungsmotors zugunsten größtmöglicher
Vereinfachung.
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Die Kennlinien eines derartigen Generators sind aus Abb. 2 ersichtlich.
Die abgegebene Spannung und Antriebsleistung des Verbrennungsmotors stellen sich
nach den stark ausgezogenen Linien A-B bzw. A,-B, ein, wobei die Drehzahl und damit
auch die Antriebsleistung von rai auf herabsinkt. Dieses Absinken ist durch die
Kennlinien des Generators bedingt. Die strichpunktierteLinie_1-B bzw. A,-B, stellt
auch hierin den anzustrebenden Bestfall dar, der durch diesen Generator unmittelbar
nicht erreicht werden kann.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Erregung der hyperbolischen
Charakteristik durch die Verwendung eines Hauptgenerators mit zwei Erregerwicklungen
zu erzielen, von denen die eine gleichbleibend und die andere veränderlich erregt
wird. Diese letztere Erregerwicklung wird nach diesem Vorschlag von einer Erregermaschine
gespeist, deren Feldwicklung von dem Generator Strom durchflossen wird, so daß sich
ihre Spannung in Abhängigkeit von dein Generatorstrom ändert. Als Verbesserung einer
derartigen Steueranordnung ist es weiterhin schon bekanntge"vorden, zwei in Reihe
geschaltete Erregermaschinen zu verwenden, von denen eine gleichbleibend und die
andere durch den Generatorstrom erregt wird.
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1 ,Iit derartigen Regeleinrichtungen ist jedoch nur ein annäherndes
Konstanthalten der aufgenommenen Leistung des Hauptgenerators zu erreichen. Die
Aufgabe, die Generatorleistung innerhalb des praktisch in Betracht kommenden Drehzahlbereichs
genau konstant zü halten, wird jedoch zum erstenmal durch die Schaltung nach der
Erfindung gelöst. Trotz der vollkommeneren Lösung ,wird aber nur eine einzige Erregermaschine
.benötigt und dieselbe erfindungsgemäß mit <frei Feldwicklungen versehen, die
sich aus einer annähernd gleichbleibend erregten Wicklung, einer vom Strom des Generators
durchflossenen Wicklung und einer von der Klenfmenspannung des Generators erregten
Wicklung zusammensetzen. Der Vorteil der großen Nachgiebigkeit der Charakteristik
des Hauptgenerators gegenüber den bisher bekannten, ähnlichen Zwecken dienenden
Anordnungen ergibt sich vor allen Dingen durch die Abhängigkeit der spannungserregten
Erregermaschinenwicklung von der Hauptgeneratorspannung. Es wird also durch die
Erfindung eine bessere Ausnutzung der den Generator antreibenden Verbrennungskraftmaschine
erzielt, ohne claß besondere zusätzliche Apparate erforderlich sind. Ein weiterer
Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung ergibt sich daraus, daß die Erregermaschine
auch noch zur Batterieladung hinzugezogen wird, so daß eine besondere Lademaschine
in Fortfall kommen kann. Durch die Verwendung der drei verschieden erregten Wicklungen
der Erregermaschine wird erreicht, daß die Spannungslinie, auf den Generatorstrom
bezogen, bei gleichbleibender Drehzahl und Leistungsaufnahme im Hauptarbeitsbereich
des Generators in bezug auf den Nullpunkt konvexe Gestalt hat. Es wird also in dem
betreffenden Arbeitsbereich der Spannungsabfall pro Stromeinheit bei niedrigem Strom
größer sein müssen als im oberen Strombereich. Die Verhältnisse der Schaltung gemäß
der Erfindung werden in Abb. 3 an Hand von Kennlinien erläutert, während Schaltungsbeispiele
in den Abb. 5 und 6 dargestellt sind.
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In den Schaltbildern bedeuten i den Generatoranker, a das Feld des
Generators, 3 das Wendefeld des Generators, 4. den vorzugsweise auf gleicher Welle
mit dem Generatoranker i sitzenden Erregeranker, 5, 6 und ; die Erregerfelder der
Erregermaschine, 8 das Wendefeld der Erregermaschine, 9 einen Spezialwiderstand,
dessen Art später erläutert wird, io einen Elektromotor auf der Achse des Fahrzeuges.
In Abb. 6 liegt das Feld 5 an einen Sammler i i und wird somit nahezu gleichbleibend
erregt. Das Feld z des Generators z ist mit dein Sammler i i in Reihe geschaltet.
Diese Schaltung ermöglicht gleichzeitig ein Laden des Sammlers, die für Beleuchtungszwecke
u. a. auf einem Fahrzeug vorhanden sein muß. Es ist weiterhin eine zweite Feldwicklung
13 am Generator vorgesehen, welche mit einem Spezialwiderstand
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in Reihe liegt. Der Spezialwiderstand soll so wirken, daß in einem bestimmten Strombereich
die Spannung an seinen Klemmen ann 'iherlid gleichbleibend ist. Derartige Spezialwiderstände
sind bereits bekannt und bestehen beispielsweise aus Siliciumcarbid oder .Mischungen
dieses Stoffes mit Kohlenstoff oder anderen leitenden Materialien, wie Wolfram,
Molybdän u. dgl. Der Widerstand eines solchen Stoffes besitzt eine hyperbolische
Widerstandsstromcharakteristik, d. h. bei hohem Strom bzw. hoher Spannung ist der
Widerstand klein, und bei niedrigen Werten ist der Widerstand groß. Allgemein verläuft
ein solcher Widerstand nach einer Exponentialfunktion des durch ihn fließenden Stromes.
Der Widerstand i:." und die Wicklung 13 liegen in Reihe, so daß eine an die beiden
Elemente angeschlossene Spannung (Erregerspannung des Ankers :I ) so lange praktisch
keinen Strom hindurchschickt, als die Spannung selbst einen bestimmten Wert nicht
überschritten hat. Wird dieser Wert überschritten, dann senkt sich der Olimwert
des Spezialwiderstandes 12 äußerst schnell, und die Wicklung 13 wird stark erregt.
Bei welcher Höhe der Spannung die Einrichtung 1-2, 13 praktisch stark leitend werden
soll, wird später im einzelnen noch ausgeführt. Während des Hauptarbeitsbereiches
soll durch diese Einrichtung jedenfalls kein merklicher Strom fließen.
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Um die Verhältnisse im Hauptarbeitsbereich zu erläutern, wird auf
die Abb.3 und 4. verwiesen. In der Abb. .4 ist wieder die Spannungs- und Leistungslinie
des Generators in Abhängigkeit vom Generatorstrom aufgetragen. Der Hauptarbeitsbereich
ist durch die Punkte A und B gekennzeichnet und soll die konvexe Gestalt haben,
damit, wie sich aus der Leistungslinie ergibt, die aufgenommene Leistung in diesem
Arbeitsbereich unabhängig vorn Generatorstrom gleichbleibt. Innerhalb dieses Arbeitsbereiches
(A-G) soll das Feld 13 sehr schwach erregt, also praktisch unerregt sein.
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Die Wirkungsweise der Schaltung nach Abb. 6 im Hauptarbeitsbereich
soll an Hand der Abb, 3 erläutert werden. Die Abb. 3 zeigt die Abhängigkeit der
Amperewindungen der Erregermaschine von den Generatoramperewindungen. Grundlegend
ist die Linie 11l, und -zwar bis zum Punkte i11. Die Linie 111 zeigt die Abhängigkeit
der Erregerampere- von den Generatoramperewindungen für die verwendete Erregermaschine.
Aus der Linie 31 läßt sich zunächst entnehmen, daß die Generatorerregung zunächst
Null ist, und zwar so lange, bis die Erregeramperewindungen den Wert IN' überschreiten.
Dieser Wert entspricht nämlich der durch den Sammler 1i hervorgerufenen Gegenspannung
im Erregerkreis. Solange also die Erregerarnperewindungen kleiner als M' sind, ist
die Erregerspannung kleiner als die Geg.enspannüng der Batterie i i. Dieser Zustand
ist hier nicht weiter von Belang. Haben dagegen die Erregerarnperewindungen den
Wert l' überschritten, dann steigt die Erregung des Generators nahezu verhältnisgleich
mit dem Anwachsen der Erregeramperewindungen an (Linie "1l). Die Erregung des Generators
muß also nach der Linie 1.1 verlaufen und läßt sich für die einzelnen Stromstärken
dadurch ermitteln, daß man diese Linie 1.7 mit denjenigen Erregerlinien zum Schnitt
bringt, welche für die einzelnen Stromstärken ermittelt werden.
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Für mehrere Stromwerte sind je vier Linien ermittelt worden, welche
für jeden bestimmten Stromwert die Erregeramperewindungen in Abhängigkeit von den
Generatoramperewindungen darstellen. Die durch die Felder 3 und j bewirkte Erregung
ist von der Generatorspannung unabhängig, kann also für die verschiedenen Stromstärken
des Generators als je eine Waagerechte zur Abszisse aufgetragen werden. Die unterste
waagerechte Linie ist für den Generatorstrom 0-Ampere aufgetragen. Es ist eine Linie,
deren Abstand von der Abszisse gleich ist den Sammleramperewindungen. illit anderen
Worten, bei 0-Ampere-Generatorstrom und bei unveränderlicher Generatorspannung sind
die Erregeramperewindungen gleich der durch den Sammler i i hervorgerufenen Erregung.
Fließt nun durch den Generator ein Strom von ioo Ampere, dann hat die Erregermaschine
eine höhere Spannung, da sich zu der Erregung der Wicklung 5 noch die der Verbundwicklung;
gesellt. Die entsprechende Linie ist also etwas höher dargestellt (ioo Ampere-Linie).
In gleicher Weise lassen sich die Linien für Zoo und 3oo Ampere finden.
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Es ist nun aber auch eine dritte Wicklung, nämlich die von der Generatorspannung,
also den Generatoramperewindungen erregte Wicklung 6 vorhanden. Die durch diese
Wicklung erzeugten Erregeramperewindungen sind also nicht mehr unabhängig von den
Generatoramperewindungen, sondern verlaufen etwa entsprechend den Magnetisierungslinien.
Fügt man also zu der entsprechenden waagerechten Linie die Wirkung der Wicklung
6 hinzu, dann erhält man für jeden der Ströme (0 bis 3oo Ampere) eine der vier Linien
N, welche nun tatsächlich für jeden Stromwert die Abhängigkeit der Generatoramperewindungen
von den Erregeramperewindungen angibt.
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Die Arbeitspunkte der Schaltung ergeben sich nun aus den Schnittpunkten
der Linienschar N mit der Linie t17.
Innerhalb des Hauptarbeitsbereiches,
d. h. bis zum Punkte 31, schneiden sich nur die beiden für Zoo und 3oo Ampere
ermittelten Linien der Linienschar X mit der Geraden 1T. Aber trotzdem läßt sich
erkennen, daß bei der Anordnung nach der Schaltung gemäß Abb. c eine konvexe Gestalt
der Spannungslinie erreicht ist. Die 3oo-Ampere-Linie und die 2oo-Ampere-Linie schneiden
die Gerade 1-I in den Punkten l1, bzw. l-12. Die Punkte lIs und 1h haben aber einen
sehr kleinen Abszissenunterschied, d. h. sie entsprechen 'v oncinander nicht sehr
verschiedenen Generatoramperewindungen, also Generatorspannungen. Der Strom von
3oo Ampere liegt im Hauptarbeitsbereich in der Nähe des Punktes B (Abb. q.), d.
h. also mit anderen Worten, in der Nähe des Punktes B ist etwa bei einem Stromunterschied
von ioo Ampere (30o weniger Zoo) ein verhältnismäßig kleiner Spannungsunterschied
vorhanden.
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Wie nun weiter aus Abb. 3 hervorgeht, ist bei niedrigeren Strömen
für einen viel kleineren Stromunterschied als ioo Ampere ein bedeutend größerer
Spannungsunterschied erkennbar. Der Punkt 111 (Abb. 3) liegt, wie aus der Zeichnung
unmittelbar zu erkennen ist, zwischen der Linie für ioo und derjenigen für Zoo Ampere
(genau 166 Ampere). Der Abszissenunterschied der beiden Punkte JIl und lI2 ist aber
ungefähr doppelt so groß wie zwischen den Punkteis 1112 und JIs, d. h. also: in
dein niedrigen Strombereich entspricht einer Stromänderung von 34 Ampere ein höherer
Spannungsunterschied als einer Stromänderung von ioo Ampere im hohen Strombereich
(Punkt B). Hieraus ergibt sich die stark konvexe hyperbelähnliche Gestalt der Spannungslinie
nach Abb. 4..
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Wie.aus Abb. 3 zu entnehmen ist, hat die 0-Ampere-Linie und die ioo-Ampere-L
inie mit der Geraden ill keinen Schnittpunkt, d. h.
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< -tlso . - außerhalb des Hauptarbeitsbereiches (Punkt '1'I1
bzw. Punkt A) ist eine Stetigkeit nicht ohne weiteres gegeben. Aus diesem Grunde
ist (Abb. 6) das Zusatzfeld 13 mit dem Spezialwiderstand 12 vorgesehen, welches
im Punkt A ansprechen soll und die Linie "'t@ etwa waagerecht weiterführt. Der Widerstand
i2 ist so bemessen, daß sein Ohmwert bei einer Erregerspannung, wie sie dein Punkte
A bzw. dem Punkte llll entspricht, so niedrig wird, daß eine wirksame Erregung der
Wicklung 13 einsetzt und die Spannungslinie im Punkt A bis zur Ordinate (Punkt C)
den in der Abb. q. dargestellten Verlauf hat. Der gezeigte Verlauf der Spannungslinie
läßt sich aus den Schnittpunkten der 0-Ampere-Linie und der ioo-Ampere-Linie (Abb.3)
mit der Fortsetzung der Linie ill ermitteln. Man braucht nicht unbedingt einen Spezialwiderstand
zur Erreichung eines stetigen Betriebes zwischen den Punkten A und C vorzusehen.
Man kann beispielsweise auch die Wicklung 13 fortlassen und das Feld 6 in Abhängigkeit
von der Generatorspannung bzw. der Erregerspannung abschalten. Dann ist die Erregermaschine
im wesentlichen gleichbleibend erregt, da der Generatorstrom keine besondere Erregung
durch die Verbundwicklung ; hervorruft.
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Man kann die Schaltung dadurch vereinfachen, daß man, wie in Abb.
9 gezeigt, die Felder 2 und 13 zusammenfaßt und dem Felde :2 statt eines Sämmlers
einen Spezialwiderstand 9 vorschaltet, welcher so ausgeführt ist wie der Spezialwiderstand
12.