Anordnung für die automatische Feldschwächung von elektrischen Gleichstrommotoren. Für den Antrieb elektrischer Fahrzeuge wird im allgemeinen .der Gleichstrom-Serie motor verwendet. Um höhere Drehzahlen bei einem gegebenen Drehmoment zu erreichen, wird bekanntlich die Seriewicklung der Trieb motoren geshuntet oder mit Anzapfungen versehen. Diese Art der Drehzahlregulierung hat aber, insbesondere bei hohem Shuntungs- grad und vielen Motoren, einen bedeutenden Aufwand an Apparaten und Widerständen zur Folge und ist mit wesentlichen Ver lusten verbunden.
Die Erfindung bezieht sich auf eine automatische Feldschwächung von Gleich strom-Seriemotoren, welche von einer Strom quelle gespeist werden, bei der mit abneh mendem Strom die Spannung zunimmt, wobei die erwähnten zusätzlichen Einrichtungen und Widerstände der bisherigen Regulierun gen vermieden werden.
Gemäss der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass die Statoren der Motoren ausser einer Seriewicklung eine Regulierwicklung erhalten, welche in Ab hängigkeit von einer elektrischen Betriebs grösse der Stromquelle so reguliert wird, dass bei zunehmender Spannung oder abnehmen dem Strom das. Magnetfeld .geschwächt wird.
Die Wirkungsweise dieser automatischen Feldschwächung ist an Hand .der in Fig. 1 dargestellten Kurven näher erläutert, wobei die Ordinate (Spannung, Drehzahl und Dreh moment) sowie die Abszisse (Strom) in Pro zenten angegeben sind, wobei 100% Strom dem- Normalstrom .entspricht. Die Kurve E .zeigt die- Spannung eines Generators in Funktion des Stromes J für eine konstante Antriebsleistung,
wobei dieser Generator 'beispielsweise die Triebmotoren eines Fahrzeuges speist und durch einen Dieselmotor oder eine Gasturbine angetrieben wird: Der speisende Generator kann aber auch eine abfallende äussre Charakteristik E, haben. Die Kurve 1 zeigt die Drehzahl und die Kurve 2 das Drehmoment in Funk tion des Stromes für einen- mit konstanter Leistung gespeisten Seriemotor.
Wenn ange nommen wird, dass der Generator für eine maximale Spannung entsprechend dem Punkt X bemessen ist, so wird beispielsweise für ein Drehmoment entsprechend Punkt Y die Drehzahl des Motors einen maximalen Wert (Punkt Z) von ca. 200% erreichen. Wird aber für dieses Drehmoment eine Drehzahl von ca. 800% verlangt, so müsste der Gene rator entsprechend Kurve E statt 140% ca.
210% Spannung (Punkt U) abgeben können und dementsprechend ca. 5i0 % grösser ge wählt werden. Um dies zu vermeiden, kann in bekannter Weise- die Seriewicklung so ge- shuntet werden, dass Drehzahl und Dreh moment des Motors entsprechend Kurve 8 bezw. 4 verlaufen. Dabei steigt entsprechend einer Verschiebung des Drehmomentes von Punkt<I>Y</I> auf<I>Y'</I> der Strom von ca. 4$ % auf ca. 72 %.
Diese Shuntung von Seriemotoren bedingt aber Starkstromschützen und Par- alleIwiderstände für die Seriewicklung und hat den grossen Nachteil, da3 bei 8huntung in wenigen Stufen (viele Stufen fallen wegen Starkstromapparatur ausser Betracht, da bei 12 Motoren und einer Shuntung in. 4 Stufen, bereits 3,6 Starkstromschaltelemente erforder lich sind) grosse Stromstösse auftreten und dadurch die Antriebsmotoren der Generato ren, also z. B. die Gasturbinen oder Diesel rotoren, überlastet werden.
Diese Über lastungen können nur durch wesentliche Komplikationen der Regulierorgane und gleichzeitig momentane Leistungseinbussen vermindert werden, was aber keineswegs er wünscht ist.
Durch die automatische Feldschwächung mittels einer Regulierwicklung gemäss der Erfindung ist es nunmehr ohne weiteres möglich, ohne Schützen und zusätzliche Widerstände automatisch für jede Spannung am Generator eine ganz bestimmte Feld schwächung zu erreichen, so dass beispiels weise der Servofeldregler für die Regelung des Generators genau wie bei einem reinen Seriemotor arbeitet.
Es treten also keine momentanen Überlastungen für die Antriebs maschine auf, so dass keine Hilfsmittel für das richtige Funktionieren des Servofeld- reglers notwendig sind. Die Kurven 5 und 6 zeigen Drehzahl und Drehmomentverlauf in Funktion des Stromes. bei Anwendung der neuen automatischen Regulierung, wobei so fort ersichtlich ist, dass der Motor seinen Seriecharakter beibehält und das gleiche An- fährdrehmoment wie der reine Seriemotor entwickelt.
Gemäss Kurve 6 tritt beim Dauer drehmoment (100i%) nur eine Stromüber lastung von ca. 7 % gegenüber ca. 3,5 % ge mäss Kurve 4 beim geshunteten Seriemotor auf. Das Drehmoment sinkt erst wesentlich ab, wenn die Drehzahl stark steigt, d. h. bei grossen Lasten resp. grosser Zugkraft hat der Motor den Verlauf des reinen Seriemotors, um gemäss Kurve 5 bei kleinen Lasten bezw.
kleinen Zugkräften in .der Drehzahl steil anzusteigen. Die Feldschwächung erfolgt also rein automatisch und ist bei grossen Strömen bezw. kleinen Spannungen praktisch unwirk sam, um bei kleinen Strömen bezw. grossen Span nungen in verstärktem Masse aufzutreten. In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Weise darge stellt. Hier handelt es sich beispielsweise 'um ein Fahrzeug, bei dem der Hauptgenerator G von einem Dieselmotor D angetrieben wird.
Der Generator G liefert die Spannung für die Triebmotoren 1G1, die je mit einer Seriewick lung S und einer Regulierwicklung .IR ver sehen: sind: Diese letztere liegt an den Klem men des Hauptgenerators G und eines Hilfs generators H. Der Hauptgenerator G ist mit seiner veränderlichen Spannung dem Hilfs generator H mit seiner konstanten Spannung entgegengeschaltet. Wenn nun .der Haupt generator G nicht erregt ist, d. h. die Motoren M keine Spannung haben, so :liegen die Regu lierwicklungen ZR der Motoren an der Hilfs generatorspannung und unterstützen dabei die Seriewicklungen der Motoren.
Steigt die G eneratorspannung auf die gleiche Spannung wie diejenige des Hilfsgenerators, so fliesst in der Regulierwicklung kein Strom und das Motorfeld wird dadurch entsprechend ge- schwächt. Bei weiterem Anstieg der Haupt generatorspannung kehrt der .Strom in der Regulierwicklung R um, und es wird dadurch das Motorfeld weiter geschwächt.
Es kann natürlich das .Spannungsverhältnis von Haupt- und Hilfsgenerator so gewählt wer den, dass der Strom in der Regulierwicklung R nicht umkehrt. Dies ergibt aber einen Motor mit schwächerer Seriewicklung und bedeutend grösserer Regulierwicklung. Dabei steigt der Anteil der Fremderregung, welche mit der Generatorspannung ändert, auf bei spielsweise 60 % , so dass für die Seriewick lung nur noch 40% Amperewindungen übrig bleiben.
Wenn aber die Hauptgeneratorspan nung grösser als die Hilfsgeneratorspannung gewählt wird, so kann bei der Fel-dschwä- chung .gemäss Kurve 5 (Fig. 1) der Anteil. der Seriewicklung verdoppelt, d. h. mit 8,0% ge wählt werden.
Die Regulierwicklung benötigt dabei für die gleiche Feldschwächung nur 20 ,wo Amperewindungen. Die Regulierwicklungen .ZR können auf einen oder mehrere Pole verteilt sein, oder es kann auch mindestens ein Pol vorhanden sein, der nur die Regulierwicklung trägt.
Die Fig. 3 zeigt eine weitere Anordnung gemäss der Erfindung, bei der in Reihe mit dem Hilfsgenerator H noch eine Regulier- maschine F geschaltet ist. Diese Maschine F ist mittels, der Erregerwicklung N mit der veränderlichen Spannung des Hauptgenera- tors G erregt und dem Hilfsgenerator H ent gegengeschaltet.
Dadurch, dass die Regulier wicklung R an den Klemmen des Hilfsgene- rators H und der Maschine F liegt, wirkt die Regulierwicklung R bei kleiner Generator spannung im gleichen Sinne wie die Serie wicklung S des Triebmotors. Mit steigender Generatorspannung kehrt der Strom in der Regulierwicklung allmählich um und wirkt somit der Seriewicklung S entgegen, so dass eine Feldschwächung des Motors erfolgt.
Die Maschine F kann entweder nur mit einer Fremderregung oder auch noch zusätzlich mit einer Eigenerregung versehen sein.
Indem der Strom mit der Spannung ändert, wie z. B. die Kurve E (Fig. 1) zeigt, kann natürlich auch in Funktion des Stromes geregelt. werden. Indem die Spannung zum Teil auch von der Kontrollerstellung des Fahrzeuges abhängig ist, kann die Wirkung der Regulierwicklung auch mit der Kontrol lerstellung des Fahrzeuges beeinflusst werden. In solchen Fällen, wo die Regulierwicklung gleichzeitig mit der Drehzahl oder Füllung des Dieselmotors beeinflusst wird, ist der Feldschwächungsgrad nicht mehr von der Fahrzeuggeschwindigkeü allein abhängig.
Wenn aber die Erregung der Regulierwick lung von der Generatorspannung oder dessen Strom abhängig gemacht wird, so ergibt sich auf jeder Kontrollerstufe, d. .h. unabhängig von der Gasturbinen- oder Dieselmotordreh zahl bei grosser Zugkraft praktisch keine und bei kleiner Zugkraft eine sehr starke Feld schwächung. Auch kann die Regulierwick lung nach Belieben, z.
B. bei kleinen Fahr geschwindigkeiten an die konstante Hilfs generatorspannung angeschlossen bleiben, d. h. die Feldschwächung kann zu einem be liebigen Zeitpunkt eingeleitet werden, bei- spielsweise durch den Kontroller oder mittels eines Schalters P (Fig. 3). Ebensogut kann der Grad .der Feldschwächung verändert wer den, beispielsweise durch verschiedene Ab griffe der Generatorspannung am: Parallel widerstand L (Fig. 2) bezw. am Widerstand K (Fig. 3), oder durch Veränderung der Erregung des Hilfsgenerators.
Obwohl die 'beschriebenen Ausführungs beispiele sich auf Fahrzeuge beziehen, bei denen der Generator für die Speisung der Triebmotoren von einem Dieselmotor oder einer Gasturbine angetrieben wird, ist die Er findung keineswegs auf Fahrzeuge be- schränkt. Sie kann ebensogut für Antriebe von Kranen, Winden, Spillen, usw. angewen det werden, wobei die durch automatische Feldschwächung geregelten Motoren von einem Netz aus gespeist werden, 'bei welchem die Spannung mit dem Strom ändert.
Arrangement for the automatic field weakening of electric DC motors. The direct current series motor is generally used for driving electric vehicles. In order to achieve higher speeds at a given torque, the series winding of the drive motors is known to be shunted or provided with taps. However, this type of speed regulation, especially with a high degree of shunt and many motors, results in a significant amount of equipment and resistors and is associated with significant losses.
The invention relates to an automatic field weakening of direct current series motors, which are fed by a power source, in which the voltage increases with decreasing current, the additional devices and resistors mentioned of the previous Regulierun conditions are avoided.
According to the invention, this is achieved in that the stators of the motors receive, in addition to a series winding, a regulating winding which is regulated as a function of an electrical operating variable of the power source so that the magnetic field is weakened when the voltage increases or the current decreases.
The mode of action of this automatic field weakening is explained in more detail on the basis of the curves shown in FIG. 1, the ordinate (voltage, speed and torque) and the abscissa (current) being given in percent, with 100% current being the normal current. corresponds. The curve E. shows the voltage of a generator as a function of the current J for a constant drive power,
this generator, for example, feeds the traction motors of a vehicle and is driven by a diesel engine or a gas turbine: The feeding generator can, however, also have a decreasing external characteristic E. Curve 1 shows the speed and curve 2 the torque in function of the current for a series motor fed with constant power.
If it is assumed that the generator is dimensioned for a maximum voltage according to point X, for example, for a torque according to point Y, the speed of the motor will reach a maximum value (point Z) of approx. 200%. However, if a speed of approx. 800% is required for this torque, the generator would have to be approx.
210% voltage (point U) and can accordingly be selected approx. 5i0% higher. In order to avoid this, the series winding can be shunted in a known manner so that the speed and torque of the motor according to curve 8 or 4 run. Corresponding to a shift in the torque from point <I> Y </I> to <I> Y '</I>, the current increases from approx. 4 $% to approx. 72%.
This shunt of series motors, however, requires high-voltage contactors and parallel resistors for the series winding and has the great disadvantage that with 8huntung in a few steps (many steps are not considered because of high-voltage equipment, since with 12 motors and one shunt in 4 steps, already 3, 6 high-voltage switching elements are required Lich) large current surges occur and thereby the drive motors of the generators, so z. B. the gas turbines or diesel rotors are overloaded.
These overloads can only be reduced by substantial complications of the regulating organs and at the same time momentary loss of performance, which is by no means what he wants.
Due to the automatic field weakening by means of a regulating winding according to the invention, it is now easily possible to automatically achieve a very specific field weakening for each voltage on the generator without contactors and additional resistors, so that, for example, the servo field controller for controlling the generator exactly as in a pure series engine works.
There are no momentary overloads for the drive machine, so that no tools are required for the servo field controller to function properly. Curves 5 and 6 show the speed and torque curve as a function of the current. when using the new automatic regulation, whereby it can be seen immediately that the engine retains its series character and develops the same starting torque as the pure series engine.
According to curve 6, with continuous torque (100%), there is only a current overload of approx. 7% compared to approx. 3.5% according to curve 4 with the shunted series engine. The torque only drops significantly when the speed rises sharply, i. H. with large loads resp. high tractive effort, the engine has the course of the pure series engine, respectively according to curve 5 with small loads.
small tensile forces increase steeply in speed. The field weakening is therefore purely automatic and with large currents or. small voltages practically ineffective sam to bezw with small currents. large tensions occur to a greater extent. In Fig. 2, an embodiment of the invention is shown schematically in Darge. This is, for example, a vehicle in which the main generator G is driven by a diesel engine D.
The generator G supplies the voltage for the traction motors 1G1, which are each provided with a series winding S and a regulating winding .IR: This latter is due to the terminals of the main generator G and an auxiliary generator H. The main generator G is with his variable voltage to the auxiliary generator H with its constant voltage opposite. If now. The main generator G is not energized, i. H. If the M motors have no voltage, then: If the control windings ZR of the motors are connected to the auxiliary generator voltage, they support the series windings of the motors.
If the generator voltage rises to the same voltage as that of the auxiliary generator, no current flows in the regulating winding and the motor field is weakened accordingly. If the main generator voltage increases further, the current in the regulating winding R reverses, and the motor field is thereby further weakened.
Of course, the voltage ratio of the main and auxiliary generator can be selected so that the current in the regulating winding R does not reverse. However, this results in a motor with a weaker series winding and a significantly larger regulating winding. The proportion of external excitation, which changes with the generator voltage, increases to 60%, for example, so that only 40% ampere-turns remain for the series winding.
If, however, the main generator voltage is chosen to be greater than the auxiliary generator voltage, then in the case of field weakening, according to curve 5 (FIG. 1), the portion. the series winding doubled, d. H. be chosen with 8.0%.
The regulating winding only needs 20 ampere turns for the same field weakening. The regulating windings .ZR can be distributed over one or more poles, or there can also be at least one pole that only carries the regulating winding.
3 shows a further arrangement according to the invention, in which a regulating machine F is also connected in series with the auxiliary generator H. This machine F is excited by means of the excitation winding N with the variable voltage of the main generator G and connected to the auxiliary generator H ent.
Because the regulating winding R is connected to the terminals of the auxiliary generator H and the machine F, the regulating winding R acts in the same way as the series winding S of the traction motor when the generator voltage is low. As the generator voltage increases, the current in the regulating winding gradually reverses and thus counteracts the series winding S, so that the field of the motor is weakened.
The machine F can either only be provided with external excitation or also additionally with self-excitation.
By changing the current with the voltage, e.g. B. the curve E (Fig. 1) shows, can of course also controlled as a function of the current. will. Since the voltage is also partly dependent on the control of the vehicle, the effect of the regulating winding can also be influenced by the control of the vehicle. In cases where the regulating winding is influenced at the same time as the speed or filling of the diesel engine, the degree of field weakening is no longer dependent on the vehicle speed alone.
But if the excitation of the Regulierwick development is made dependent on the generator voltage or its current, it results at each controller stage, d. .H. Irrespective of the gas turbine or diesel engine speed, practically no field weakening with high tractive effort and very strong field weakening with low tractive effort. The Regulierwick can also be developed at will, z.
B. remain connected to the constant auxiliary generator voltage at low driving speeds, d. H. the field weakening can be initiated at any time, for example by the controller or by means of a switch P (FIG. 3). The degree of the field weakening can just as well be changed, for example by different grips from the generator voltage on the: parallel resistance L (Fig. 2) respectively. at the resistor K (Fig. 3), or by changing the excitation of the auxiliary generator.
Although the 'described execution examples relate to vehicles in which the generator for feeding the traction motors is driven by a diesel engine or a gas turbine, the invention is by no means restricted to vehicles. It can just as well be used for drives for cranes, winches, capstans, etc., with the motors regulated by automatic field weakening being fed from a network in which the voltage changes with the current.