Schaltungsanordnung zur Bremsung mindestens eines Einphasenwechselstrom- Kollektormotors In der schweiz. Patentschrift Nr. 320185 ist eine Brückenschaltung für Wechselstromkollektormaschi- nen beschrieben, bei welcher in der Motorschaltung mittels einer im Brückenzweig angeordneten Drossel spule eine phasenschiebende Wirkung erzielt wird. Umgekehrt würde die Einschaltung eines kapazitiven Widerstandes die Phasenlage des Netzstromes ver schlechtern. Die Erfindung benützt eine ähnliche Schaltungsanordnung.
Dabei ist ein reiner Wirk widerstand oder ein wenigstens eine Wirkkomponente aufweisender Widerstand als Bremswiderstand vor gesehen, der elektrische Leistung zweckmässig in der Grössenordnung der Bremsleistung in Wärme umzu setzen vermag. Untersucht man diese Schaltung, so stellt sich nämlich heraus, dass sich oberhalb einer be stimmten Geschwindigkeit die Phasenlage des Anker stromes gegenüber jener des Feldstromes um mehr als 90 verdreht und der Motor zum Generator wird.
Zum Stande der Technik sei noch auf die ausführ lichen Abhandlungen von Leyvraz, Bulletin Oerlikon 1950, Hefte 283/84 und Mirow ETZ 1938, S. 433/ 464 verwiesen.
Gemäss der Erfindung haben der Anker- und der Feldkreis einen ihnen gemeinsamen Strompfad, in dem der erwähnte Bremswiderstand angeordnet ist. Drei erste Ausführungsbeispiele seien zunächst für einen Motor allein in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellt. Der Ankerkreis liegt an der Spannung Ui, der Feld kreis an der Spannung U2 und der Widerstand W im gemeinsamen Pfad beider Kreise.
Die Pfeile der Span nungen Ui, U.., sind jenen der entsprechenden, in den Figuren eingezeichneten elektromotorischen Kräfte Ei, E2 entgegengerichtet. Es sind noch die Strompfeile für JF, JA und Jw eingetragen. Zr, Z,#, und Zw sind die vom Feldstrom, vom Ankerstrom und vom Wider- standsstrom durchflossenen Scheinwiderstände. ZA enthält somit nicht nur den Ankerwiderstand, sondern auch eventuell mit ihm in Reihe geschaltete Wider stände.
Dies gilt auch für Zr. In Fig. 1 haben die Spannungen U1 und U2 gleiche Richtung. In Fig. 2 ist die Spannung Ui = 0, das heisst die Klemmen, an denen sonst die Spannung U1 liegen würde, sind kurz geschlossen. In Fig. 3 hat U1 die entgegengesetzte Richtung wie in Fig. 1..
Ist dabei in Fig. 3 ausserdem noch U1 <I>=</I> U2 <I>= U,</I> so besteht kein Potentialunter schied zwischen der oberen Feldklemme und der un teren Ankerklemme, das heisst die beiden Klemmen können miteinander verbunden werden. Die Schal tung nach Fig. 1 entspricht einer kombinierten Wider stands-Nutzbremse, die nach Fig. 2 einer dank der Rückwirkung des Ankerkreises auf den Feldkreis selbstregelnden Widerstandsbremse und die nach Fig. 3 einer Gegenstrombremse.
Die im Anker erzeugte (Gegen-)EMK ist EA = _ JFv; dabei ist v = K # n, K ist eine Maschinenkonstante und n die Drehzahl. v hat die Dimension eines Wirk widerstandes, der sich proportional mit der Drehzahl ändert.
Zur Untersuchung der Schaltung werden die Maschen- und Knotengleichungen aufgestellt: 0 = - JF + JA - Jw U1 = - JFV + JA ZA --f- JWZw U2 = JFZF - Jwzw Die Determinante des Gleichungssystems ist D = ZAZr -f- ZW(ZA -I- ZF + v), und es ergeben sich für die Ströme die folgenden Formeln:
EMI0002.0001
Die Ortskurven der Ströme sind Kreise mit dem veränderlichen Parameter v. Der Feldkreis geht durch den Ursprung, die beiden anderen sind Kreise all gemeiner Lage. Die Ströme und Spannungen können nun mit Hilfe der Formeln für jeden Betriebspunkt bestimmt werden. Jeder Strom setzt sich aus zwei Anteilen zusammen, die von den Spannungen U1 und U., herrühren. Wird eine der Spannungen null, so verschwindet damit auch ihr Anteil. Eine zeich nerische Wiedergabe der Kreisdiagramme kann unter bleiben, weil ohnehin die Formeln für die Ströme an gegeben sind.
Dafür sind in den Fig. 4 und 5 die Vektordiagramme der Spannungen und Ströme der Schaltungen nach den Fig. 1 und 2 für einen Betriebs punkt gezeichnet, wobei die Spannung A =-JAZI, W - -Jm*ZIV und F = -JFZF ist. Die vorstehend auf gestellten, den Diagrammen zugrunde liegenden Span nungsgleichungen lauten dann: EI=EA+A+W <I>E,= F- W.</I>
Aus der Fig. 4 ist zu ersehen, dass der Ankerkreis bei der Widerstandsnutzbremse Wirk- und Blindlei stung ins Netz liefert, im Gegensatz zu anderen Nutz bremsschaltungen, die wohl Wirkleistung abgeben, aber Blindleistung entnehmen. In der Fig. 6 sind noch die Bremskraftgeschwindigkeitskurven 1, 2 und 3 an gegeben, die den Schaltungen nach den Fig. 1, 2 und 3 entsprechen. Diese Kennlinien gelten für eine be stimmte Spannungsstufe am Transformator. Die Ströme nehmen mit wachsender Spannung linear und die Bremskräfte quadratisch zu. Die Ordinatenschnitt- punkte bleiben unverändert erhalten.
Die Kennlinien nehmen nahezu den gleichen Verlauf wie jene der Druckluftbremse. Dem Druck im Bremszylinder ent spricht die eingestellte Spannungsstufe.
Die Schaltung nach Fig. 1 ist die wichtigste, denn sie hat insbesondere bei hoher Geschwindigkeit eine grosse Bremsleistung, von der ein Teil ins Netz zu rückgeschickt wird. Der Feldkreis entnimmt eine Lei stung aus dem Netz, der Ankerkreis liefert oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit eine Leistung ins Netz. Der überschuss über die entnommene Leistung des Feldkreises ergibt den Rückgewinn, auf den es an sich vielleicht weniger ankommt als darauf, dass um diesen Betrag die Widerstandsleistung und damit das erforderliche Widerstandsgewicht kleiner wird.
Die Ausrüstung wird leichter als jene der Wider standsbremse, die selbst schon den bekannten Nutz- bremsschaltungen gewichtsmässig zumeist überlegen ist.
Die Fig. 7 und 8 zeigen beispielsweise Schaltun gen für zwei Motoren, die nichts anderes als eine Ver dopplung der einmotorigen Schaltung sind, wobei je doch die Ströme der beiden Hälften entgegengesetzte Richtungen haben. Bei Fig. 7 können die Spannungen El und EZ verschieden sein, während sie bei Fig. 8 gleich, gross bzw. identisch sind. In beiden Fällen kann der Halbierungspunkt der Spannungen an den Mittel punkt der Widerstände angeschlossen sein. Selbst verständlich lässt sich die Erfindung auf eine beliebige Anzahl von Motoren anwenden.
Die Fig. 9 und 10 zeigen andere Schaltungsvari anten, bei denen, wie man sich leicht überzeugt, im Feldkreis an Stelle der Spannung E, die Spannung E.-El wirksam ist.
Es sei schliesslich noch darauf hingewiesen, dass auch bei der völlig anders arbeitenden Kondensator- Nutzbremsschaltung ein vom Anker- und Feldstrom durchflossener Widerstand angeordnet ist, der aber natürlich nicht wie bei der erfindungsgemässen (kon- densatorlosen) Schaltung als Bremswiderstand be zeichnet werden kann.
Circuit arrangement for braking at least one single-phase alternating current collector motor In Switzerland. Patent specification No. 320185 describes a bridge circuit for alternating current collector machines in which a phase-shifting effect is achieved in the motor circuit by means of a choke coil arranged in the bridge branch. Conversely, switching on a capacitive resistor would worsen the phase position of the mains current. The invention uses a similar circuit arrangement.
In this case, a pure active resistance or a resistance having at least one active component is seen as a braking resistor, which can expediently convert electrical power into heat in the order of magnitude of the braking power. If you examine this circuit, it turns out that above a certain speed, the phase position of the armature current is rotated by more than 90 compared to that of the field current and the motor becomes the generator.
Regarding the state of the art, reference is made to the detailed treatises by Leyvraz, Bulletin Oerlikon 1950, Hefte 283/84 and Mirow ETZ 1938, pp. 433/464.
According to the invention, the armature circuit and the field circuit have a common current path in which the braking resistor mentioned is arranged. Three first exemplary embodiments are initially shown for one motor alone in FIGS. 1, 2 and 3. The armature circuit is connected to the voltage Ui, the field circuit is connected to the voltage U2 and the resistor W is in the common path of both circles.
The arrows of the voltages Ui, U .., are opposite to those of the corresponding electromotive forces Ei, E2 shown in the figures. The current arrows for JF, JA and Jw are still entered. Zr, Z, #, and Zw are the apparent resistances through which the field current, the armature current and the resistance current flow. ZA thus contains not only the armature resistance, but also possibly resistors connected in series with it.
This also applies to Zr. In Fig. 1, the voltages U1 and U2 have the same direction. In FIG. 2 the voltage Ui = 0, that is to say the terminals at which the voltage U1 would otherwise be present are short-circuited. In Fig. 3 U1 has the opposite direction as in Fig. 1 ..
If U1 <I> = </I> U2 <I> = U, </I> is also shown in FIG. 3, there is no potential difference between the upper terminal block and the lower anchor terminal, that is, the two terminals can be connected to one another get connected. The scarf device according to Fig. 1 corresponds to a combined resistance-regenerative brake, which according to Fig. 2 is a self-regulating resistance brake thanks to the reaction of the armature circuit on the field circuit and that of FIG.
The (back) EMF generated in the armature is EA = _ JFv; where v = K # n, K is a machine constant and n is the speed. v has the dimension of an effective resistance that changes proportionally with the speed.
To examine the circuit, the mesh and knot equations are set up: 0 = - JF + JA - Jw U1 = - JFV + JA ZA --f- JWZw U2 = JFZF - Jwzw The determinant of the equation system is D = ZAZr -f- ZW ( ZA -I- ZF + v), and the following formulas result for the currents:
EMI0002.0001
The locus curves of the currents are circles with the variable parameter v. The field circle goes through the origin, the other two are circles of general situation. The currents and voltages can now be determined for each operating point using the formulas. Every current is made up of two parts, which come from the voltages U1 and U. If one of the tensions becomes zero, its share also disappears. A graphic reproduction of the pie diagrams can be omitted because the formulas for the flows are given anyway.
4 and 5, the vector diagrams of the voltages and currents of the circuits according to FIGS. 1 and 2 for an operating point are drawn, the voltage A = -JAZI, W - -Jm * ZIV and F = -JFZF . The voltage equations given above and on which the diagrams are based are then: EI = EA + A + W <I> E, = F- W. </I>
From Fig. 4 it can be seen that the armature circuit in the resistor power brake delivers active and reactive power into the network, in contrast to other useful brake circuits, which probably output active power, but draw reactive power. In Fig. 6, the braking force speed curves 1, 2 and 3 are given, which correspond to the circuits of FIGS. 1, 2 and 3. These characteristics apply to a certain voltage level on the transformer. The currents increase linearly with increasing voltage and the braking forces increase quadratically. The intersections of the ordinates remain unchanged.
The characteristics take almost the same course as those of the compressed air brake. The set voltage level corresponds to the pressure in the brake cylinder.
The circuit of Fig. 1 is the most important, because it has a large braking power, especially at high speed, of which part is sent back to the network. The field circuit draws power from the network, the armature circuit supplies power to the network above a certain speed. The excess over the drawn power of the field circuit results in the recovery, which is perhaps less important than the fact that the resistance power and thus the required resistance weight is reduced by this amount.
The equipment is lighter than that of the resistance brake, which is itself usually superior to the known regenerative brake circuits in terms of weight.
7 and 8 show, for example, Schaltun conditions for two motors, which are nothing more than a United doubling of the single-motor circuit, but depending on the currents of the two halves have opposite directions. In FIG. 7, the voltages El and EZ can be different, while in FIG. 8 they are the same, large or identical. In both cases, the halving point of the voltages can be connected to the center of the resistors. It goes without saying that the invention can be applied to any number of motors.
9 and 10 show other Schaltungsvari antennas in which, as you can easily see, in the field circuit instead of the voltage E, the voltage E.-E1 is effective.
Finally, it should be pointed out that a resistor through which the armature and field current flows is also arranged in the completely different capacitor regenerative braking circuit, but which of course cannot be called a braking resistor as in the (capacitorless) circuit according to the invention.