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Selbsttätige Steuerung für Fahrzeuge mit elektrischer Übertragung der konstant bleibenden Leistung mitgeführten Kraftmaschine.
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur selbsttätigen Steuerung von Fahrzeugen, insbesondere dieselelektrischen Fahrzeugen, bei denen die Übertragung der durch mitgeführte Kraftmaschine verfügbaren Leistung mit Hilfe von elektrischen Generatoren auf die Fahrmotoren ohne Anwendung komplizierter Sehaltapparate erfolgt.
Nach der Erfindung wird die Feldschwächung der Fahrmotoren selbsttätig abhängig von der Geschwindigkeit des Fahrzeuges und dem Motorstrom geregelt. Eine solche Regelung ermöglicht ohne Eingreifen des Fahrzeugführers die volle Ausnutzung der Antriebsleistung, wie weiter unten an Hand der Betriebskurven erwiesen wird.
Die Schaltung der Erfindung bedient sich in bekannter Weise eines mit dem Antriebsmotor gekuppelten Gleichstromnebenschlussgenerators mit Erregermaschine sowie eines von der Achse angetriebenen Gleichstromnebenschlussgenerators. Man hat auf den verschiedensten Wegen versucht, die Leistung der Verbrennungsmaschinen auf dieselelektrischen Fahrzeugen konstant zu halten und sich hiebei zum Teil auch solcher Mittel bedient wie sie gemeinsam bei der vorliegenden Erfindung Anwendung finden. So hat man bereits die Erregung der. Hauptdynamo von einer Achsdynamo abhängig gemacht und auch eine Gegenkompoundierung der Hauptdynamo ebenso wie Feldschwächung der Fahrmotoren vorgesehen.
Man erkannte jedoch nicht die Vorteile, die eine selbsttätige Änderung der Feldschwächung abhängig von der Fahrgeschwindigkeit und vom Motorstrom gewährt.
In Fig. 1 ist ein Schaltbild für eine Steuerung nach der Erfindung dargestellt. Der mit dem Antriebs-
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des Generators und eine Gegenkompoundwicklung 22 der Erregermaschine 3 und über ein Schütz 23 den Fahrmotor 5 mit seiner Erregerwicklung 24. Die Erregermasehine 3 liefert einerseits den Erregerstrom für die Erregerwicklung 31 des Generators 2, anderseits über das Schütz 32 den Erregerstrom fiir die Hilfsnebenschlusswieklung 33 des Fahrmotor 5. Die Erregermaschine 3 erhält ausser der von der Achsdynamo 4 gespeisten Erregerwicklung 41 noch eine Hilfserregerwicklung 61, die über einen Schalter 63 in den Stromkreis einer Batterie 6 eingeschaltet werden kann. Ausserdem kann die Erregung 62 der Achsdynamo 4 bei Schliessen des Schalters 64 von der Batterie 6 erregt werden.
Die Achsdynamo 4 wird von einer Fahrzeugachse angetrieben. Die Wirkungsweise der selbsttätigen Steuerung wird an Hand des in Fig. 2 dargestellten Geschwindigkeitzugkraftdiagramms erläutert :
Stellt in der schematischen Fig. 2 die Kurve a die normale Charakteristik eines Reihenschluss- motors für konstante Spannung B und die Kurve b die Hyperbel konstanter Leistung entsprechend der Antriebs-speziell Verbrennungsmotorleistung dar, so ist im Schnittpunkt der beiden Kurven bei einer Zugkraft Zi und einer Geschwindigkeit Va der Antriebsmotor voll belastet ; bei Werten von Z grösser als
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Durch Spannungsänderung wäre es natürlich möglich, praktisch für alle Werte von Z bzw. V auf der Kurve b konstanter Leistung zu bleiben. Denn man kann den Bereich Z grösser als Zi bis Z = Zi mit kleinerer Spannung durchfahren als der Kurve a entspricht ; fährt man aber für den Bereich Z kleiner
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auf einem Wert konstant, der 1'1 und Z, entspricht und schwächt dann das Motorfeld durch Parallelwiderstand oder Windungsanzapfung, so erhält man eine Charakteristik c, die es gestattet, noch bei einer Zugkraft Z/kleiner Z den Dieselmotor voll auszunutzen.
Der Grad dieser Art Feldschwäehung ist jedoch mit etwa 50% Erregung begrenzt, so dass selbst mit feiner Unterteilung der Feldschwächung (viele Schütze bzw. Feldanzapfungen) bei hohen Geschwindigkeiten der Dieselmotor nicht mehr ausgenutzt wird, jedoch im Bereich zwischen Zi und Z/schon erheblich besser belastet ist als ohne Feldsehwächung.
Die bekannte, mit einfacheren Hilfsmitteln zu erreichende Feldschwächungsart durch Anbringung einer fremderregten Nebenschlusswieklung auf den Motorhauptpolen gestattet, noch bis zu kleineren Zugkräften als Zit also beispielsweise bis Z.,", die verfügbare Antriebsleistung voll auszunutzen, da die feldsehwächende Wirkung einer solchen Hilfswicklung mit abnehmendem Motorstrom zunimmt, die Charakteristik also nach Kurve d verläuft. Da sich der Erregerstrom dieser Hilfswieklung praktisch auch mit einfachen Mitteln sehr fein regeln lässt, kann man es erreichen, dass der Übergang von Kurve a nach Kurve d auf der Hyperbel b erfolgt, also dauernd mit konstanter Leistung gefahren wird.
Vergleicht man die Charakteristiken b und d, so muss also die Generatorspannung etwa im Verhältnis der Ordinaten
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wicklung da einsetzen lässt, wo nach Anfahrt mit der konstanten Zugkraft Z2 die Kurve b erreicht ist, also- im Punkt Cl. : erst im Punkt ss der Kurven b und d ist dann die volle Generatorspannung erreicht, und erst von dieser Geschwindigkeit ab tritt dann eine Unterbelastung des primären Antriebsmotors ein, wenn die Geschwindigkeit noch weiter ansteigt. Die Bemessung der Fahrmotorstundenleistung bzw.
- dauerleistung und der Generatordauerleistung sowie der Generatorspannung und des Feldsehwächungs- grades erfolgt im wesentlichen nach normalen Gesichtspunkten. Stellt man jetzt die Beziehung EG = f (V) auf, d. h. den Zusammenhang zwischen Generatorspannung EG und Geschwindigkeit V des Fahrzeuges, so findet man, dass EG bei konstantem Anfahrstrom entsprechend der Anfahrzugkraft Za geradlinig mit V ansteigt bis zum Punkt Cl. und dass bis zum Nennwert im Punkt ss weniger als geradlinig, etwa ent-
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Spannungsregelung auszunutzen, wozu folgender Weg gewählt wurde :
Die mit dem Generator gekuppelte Erregermaschine 3 wird bei konstanter Drehzahl des Maschinen- satzes von einer batterieerregten Achsdynamo , also direkt proportional der Geschwindigkeit V, erregt ;
ihre Spannung und damit der Erregerstrom des Hauptgenerators steht also in einem bestimmten Verhältnis zur Fahrgeschwindigkeit, das durch die Charakteristiken von Aehsdynamo und Erregermaschine bedingt ist. Ein ähnliches Verhältnis besteht auch für die Generatorspannung und die Fahrgeschwindigkeit. Da hiefür jedoch schon eine Beziehung gefunden war, besteht die Aufgabe darin, die Maschinen so zu bemessen, dass die beiden Kurven für Eg = f (V) sich decken. Zu bedenken ist dabei, dass die Erregung der Notorhilfswicklung 33 von der Erregermaschine 3 aus und damit die Feldschwächung im Punkt or der Fig. 2 einsetzt und dann mit steigender Fahrgeschwindigkeit V zunimmt.
Dementsprechend würde die Charakteristik-d, die in Fig. 2 für einen beliebigen, aber konstanten Wert des Feldsehwächungsstromes gilt, zwar noch durch ss gehen, rechts davon jedoch tiefer liegen und daher die aus dem Ordinatenverhältnis gefundene Beziehung f (Ea V) zwar eine Änderung, aber nur zahlenmässig, erfahren. Zur Erfüllung dieser Funktion kann ausser am Generator auch an der Erregermaschine eine vom Fahrmotorstrom durchflossene Gegenkompoundwicklung 22 angeordnet werden, so dass dann die Erregermasehinenspannung und damit die Erregung des Hauptgenerators sowie die Feldschwäehung der Motoren nicht nur von der Fahrgeschwindigkeit und der Sättigung der Erregermaschine, sondern auch vom Falnmotorstrom abhängt.
Da, wie bereits erwähnt, die feldschwächende Wirkung der Fahrmotorhilfswieklung mit abnehmendem Fahrmotorstrom zunimmt, anderseits während der eigentlichen Anfahrt die Geschwindigkeit und damit auch die Erregermaschinenspannung noch klein sind, wird keine erhebliche Feldschwächung und damit verbundene Herabsetzung des Drehmomentes bzw. Zugkraft eintreten, wenn die Fahrmotor-
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Bei konstantem Anfahrstrom wird daher die Anfahrzugkraft des Fahrzeuges mit steigender Geschwindigkeit etwas abnehmen und dann in die Hyperbel b übergehen, wenn die Generatorspannung direkt proportional mit der Geschwindigkeit ansteigt ; lässt man sie etwas stärker als proportional ansteigen, so kann man konstante, ja sogar etwas steigende Anfahrzugkraft erhalten, von Erreichung der Hyperbel b ab gelten dann jedoch wieder die früheren Überlegungen.
Da im Stillstand die Generatorspannung Null ist, erhält zum Zwecke des Anfahrens die Erregermaschine 3 eine Hilfserregerwicklung 61, die von der Batterie aus mit einem solchen Strom erregt wird, dass der Generator den erforderlichen Anfahrstrom gibt ; auf diese Hilfserregung baut sieh dann die von V abhängige Erregung durch die Achsdynamo auf, doch kann nach erfolgter Anfahrt die Hilfserregung auch von Hand oder automatisch wieder abgeschaltet werden.
Zur Regelung des Fahrzeuges sind nur erforderlich : ein Handsehalter 63, mit dem der Führer
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schwächung verwendet werden soll oder diese nicht bereits vom Stillstand ab erfolgt ein Schütz 32, das die Hilfswicklung 33 des Fahrmotor J bzw. mehrerer Fahrmotoren zum gegebenen Zeitpunkt an die Erregermaschine schaltet. Das Ansprechen dieses Schützes kann man vom Führer oder von einem Relais abhängig machen, das als Zeit-Strom-Spannungs-Geschwindigkeitsrelais oder als Leistungsrelais ausgeführt sein kann. Die Fahrtrichtungsänderung erfolgt in bekannter Weise. Das Ausschalten der Fahrmotoren kann in bekannter Weise selbsttätig, z.
B. durch Fahrsperre, Überstrom, Überlast, Zugtrennung, Nutbremszuggriff oder durch den Führer erfolgen, u. zw. durch Unterbrechung oder Schwächung einer oder mehrerer der Erregungen oder durch direktes Abschalten der Motoren über Schütze, z. B. 23, und nachfolgende Abschaltung oder Schwächung der Erregungen.
Die beschriebene Steuerungsart macht den Führer von allen Regelungsmassnahmen während der Fahrt vollkommen frei und bedingt das Mindestmass an Schaltapparaten im Gegensatz zu anderen automaischen Steuerungen, die mit mehreren oder gar vielen mechanischen, elektromotorischen oder elektromagnetischen Schaltorganen arbeiten. Fig. 3 zeigt schematisch den Verlauf von Generatorspannung Es, Motorstrom J", und Drehmoment M in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit V für den Anfahrt-
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und Vi"entsprechend der Kurve b von ot bis ss in Fig. 2.
PATENT-ANSPRÜCHE :
Selbsttätige Steuerung für Fahrzeuge mit elektrischer Übertragung der konstant bleibenden Leistung mitgeführter Kraftmaschine, insbesondere Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldschwächung der Fahrmotoren selbsttätig in Abhängigkeit sowohl von der Geschwindigkeit des Fahrzeuges als auch dem Motorstrom geregelt wird.