Diese Erfahrungen lassen, zusammengefaßt, erkennen, daß der Dampfbetrieb für geringe Teufen zwar einfach ist, für große Teufen aber zu recht verwickelten und betriebsunsicheren Maschinen führt. Ein schlagendes Bild hierfür zeigten die Fördermaschinen der Düsseldorfer Ausstellung vom Jahre 1902. Von den beiden Dampffördermaschinen für große Teufen war die eine nach dem Tandem-Zwillingssystem gebaut und besaß dementsprechend 4 Dampfzylinder mit 16 Ventilen und 24 Stopfbüchsen, die andere war als Verbundmaschine mit Kunstkreuzübertragung ausgeführt und war mit 8 festen Lagern und 12 Zapfenlagern im Kurbeltriebwerk ausgerüstet; beide hatten außerdem Dampfvorspann für die Umsteuerung. Diese Maschinen waren in ihrer Einzelkonstruktion und ihrer Werkstättenausführung zweifellos bewundernswert; als Ganzes genommen aber waren sie drastische Zeugnisse dafür, daß die Technik hier in eine Sackgasse geraten war.
3. Von 1900 an: Antrieb durch elektrischen Strom.
In jener Zeit waren bereits Versuche gemacht worden, die Wirtschaftlichkeit des Förderbetriebes dadurch zu verbessern, daß man die Fördermaschine nicht durch eine gesonderte Dampfmaschine betrieb, sondern daß man sie durch elektrische Übertragung an die wirtschaftlich arbeitenden Zentral-Dampfdynamos des Bergwerks anschloß.
Versuche dieser Art wurden gleichfalls in der Düsseldorfer Ausstellung im Leerlauf vorgeführt und ließen erkennen, daß eine brauchbare Lösung damals zwar im Werden, aber noch nicht reif war.
Schwierigkeiten lagen in zwei Richtungen vor: in der Steuerung der Fördermaschine selbst und in der Rückwirkung auf das Kraftwerk.
Für die Steuerung der Fördermaschine war die sonst für Elektromotoren übliche Anlaßmethode mit Vorschaltwiderstand von vornherein unbrauchbar. Ein Versuch dieser Art führte zu einem Ungeheuer von Anlasser, das für den Bergwerksbetrieb nie geeignet gewesen wäre. Bei dieser Anlaßmethode wird der Fördermaschine die für den Anlauf erforderliche niedrige Spannung dadurch zugeführt, daß der überschüssige Teil der Netzspannung in einem Anlaßwiderstand abgedrosselt wird. Die Kontakte des Steuerapparates müssen daher den Hauptstrom führen, d. h. Ströme von 2000 bis 4000 Amp. schließen und unterbrechen.
Diese Schwierigkeit war grundsätzlich nur dadurch zu beheben, daß man Unterbrechungen des Hauptstroms während des Anfahrens überhaupt vermied. Nach einem von Leonard schon früher für andere Zwecke gemachten Vorschlag ging man dazu über, die Fördermaschine nicht unmittelbar aus dem Netz mit Strom zu versorgen, sondern sie von einer besonderen Dynamomaschine aus zu speisen, die ihrerseits durch einen an das Netz geschalteten Elektromotor getrieben wurde. Dadurch wurde freilich eine mehrfache Umwandlung der Energie erforderlich: die Dampfdynamo des Kraftwerks muß zunächst die Wärme-Energie in mechanische Energie und von dieser in elektrische Energie von konstanter Spannung verwandeln. Letztere wird durch das Leitungsnetz dem Anlaßumformer zugeführt, der seinerseits die elektrische Energie von konstanter Spannung zunächst in mechanische Energie zurück verwandelt und aus dieser in elektrische Energie von veränderlicher Spannung umsetzt. Diese erst wird dem Elektromotor der Fördermaschine zugeführt und von diesem schließlich in die für die Förderung erforderliche mechanische Energie umgewandelt. Naturgemäß entsteht bei jeder dieser vier Umsetzungen ein Verlust; der hohe Wirkungsgrad der elektrischen Maschinen gestaltet indessen den Gesamtverlust zu einem verhältnismäßig geringen. Der große Vorteil, der durch diese in der Theorie verwickelte, in der praktischen Ausführung einfache Anordnung entsteht, ist darin zu finden, daß der Hauptstrom während des Betriebes nicht unterbrochen wird; die Regelung wird lediglich durch Veränderung der Feldstärke des Umformers herbeigeführt, der Steuerapparat hat daher nur Ströme zu unterbrechen, die einige Hundertstel des Hauptstroms betragen.
Die zweite Schwierigkeit bot die Rückwirkung auf das Kraftwerk. Bei der Dampffördermaschine wird die große während des Anfahrens erforderliche Energie einfach dem stets vorhandenen Dampfvorrat des Dampfkessels entnommen, es werden also andere Maschinen nicht in Mitleidenschaft gezogen. Anders bei der elektrischen Fördermaschine. Diese würde den großen Anlaufstrom dem Kraftwerk entnehmen, es müßten daher die Dampfdynamomaschinen den ganzen Stoß aushalten, so daß als Kraftspeicher wieder der Dampfvorrat der Kesselanlage herhalten müßte. Bei solch stoßweisem Betrieb würde das Kraftwerk sehr unwirtschaftlich arbeiten und störende Spannungsschwankungen im ganzen Netz hervorrufen. Nur dann, wenn ein sehr großes Kraftwerk eine große Zahl von stetig laufenden Elektromotoren zu versorgen hätte, würde eine mitangeschlossene Fördermaschine ohne Störungen betrieben werden können.
Ein Mittel, um die Belastungsschwankungen von den Dampfdynamos fernzuhalten, würde in der Einschaltung einer Pufferbatterie bestehen, wie sie in den Kraftwerken der Straßenbahnen verwendet werden. Dieses Mittel würde bei den großen Stromstärken aber ein sehr kostspieliges sein und würde außerdem nur bei Gleichstromzentralen anwendbar sein. Für Bergwerke kann der großen Entfernungen wegen aber in der Regel nur Drehstrom verwendet werden.
Ein weit einfacheres Mittel ergab die von Ilgner vorgeschlagene Anwendung eines Schwungrades, welches auf die Welle des Anlaßumformers gekeilt wird — [Fig. 39]. Während der Förderpausen wird vom Motor des Umformers mechanische Energie in das Schwungrad geleitet, d. h. die Umlaufzahl des Schwungrades allmählich erhöht. Sobald die Fördermaschine anfährt, entnimmt sie durch Vermittlung der Dynamo des Umformers mechanische Energie aus dem Schwungrad, wodurch die Umlaufzahl des Schwungrades sich allmählich vermindert. Die Belastungsschwankungen gehen dann lediglich durch die Dynamo des Umformers, nicht aber durch den Motor desselben und noch weniger in das Kraftwerk. Letzteres läuft vielmehr mit fortwährend gleichbleibender Belastung. Es ist daher gleichgültig, ob das Kraftwerk Drehstrom oder Gleichstrom liefert, da der Netzstrom lediglich in den Motor des Umformers geht, während die Dynamo des Motors stets als Gleichstrommaschine gebaut wird.