DE1053549B

DE1053549B - Switching arrangement for adjusting the torques of direct or alternating current drive motors connected in parallel or in series to the axle load changes that occur in electric vehicles with single axle drive

Info

Publication number: DE1053549B
Application number: DEK35094A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Ottomar Kasperowski
Original assignee: Dr-Ing Ottomar Kasperowski
Current assignee: Dr-Ing Ottomar Kasperowski
Priority date: 1958-06-18
Filing date: 1958-06-18
Publication date: 1959-03-26

Description

Schaltanordnung zum Angleich der Drehmomente von parallel oder in Reihe geschalteten Gleich- oder Wechselstrom-Triebmotoren an die bei elektrischen Fahrzeugen mit Einzelachsantrieb auftretenden Achslastveränderungen Bei elektrischen Schienenfahrzeugen der jetzt üblichen Drehgestellbauart mit Einzelachsantrieb erzeugen die Zughakenkräfte Kippmomente, durch welche die vorauslaufenden Achsen entlastet und die nachlaufenden Achsen zusätzlich belastet werden. Um ein Schleudern der entlasteten Achsen zu vermeiden, muß deren maximale Zugkraft herabgesetzt werden. Dies führt zu einer verminderten Ausnutzbarkeit der Zugkräfte aller Achsen, wenn sämtlichen Motoren eines Fahrzeugs die gleiche Betriebsspannung zugeführt wird, was normalerweise der Fall ist. Die genannte Erscheinung wirkt sich besonders beim Anfahren nachteilig aus, wo im allgemeinen eine möglichst hohe Gesamtzugkraft des Fahrzeugs erwünscht ist.Switching arrangement to adjust the torques from parallel or in Direct or alternating current traction motors connected in series to the electric Axle load changes that occur in vehicles with single-axle drive Generate rail vehicles of the now common bogie design with single-axle drive the pulling hook forces, tilting moments by which the leading axles are relieved and the following axles are additionally loaded. To a fling of the relieved To avoid axles, their maximum pulling force must be reduced. this leads to to a reduced utilization of the tensile forces of all axles, if all Motors of a vehicle are supplied with the same operating voltage, which is normally the case the case is. The phenomenon mentioned is particularly disadvantageous when starting up from where, in general, the highest possible total tractive effort of the vehicle is desired is.

Die Achslastveränderungen lassen sich durch mechanische Mittel aus physikalischen, konstruktiven oder wirtschaftlichen Gründen meist nur unvollkommen aufheben. Um trotz auftretender Achslastveränderungen die Haftreibung jeder Achse weitgehend ausnutzen zu können, ist für Wechselstrommotoren eine Schaltung zum elektrischen Angleich der einzelnen 1-lotordrehmomente an die jeweiligen Achslassen entwickelt worden. Mittels eines Angleichtransformators werden hier in die Motorkreise entweder Zusatz- oder Gegenspannungen derart eingefügt, daß die Motoren der entlasteten Achsen einen verminderten und die Motoren der zusätzlich belasteten Achsen einen erhöhten Anfahrstrom erhalten. Bei genauer Einstellung läßt sich dann die Gesamtzugkraft des Fahrzeugs auf den gewünschten -Optimalwert steigern. Dieses Angleichverfahren ist jedoch nur bei parallel geschalteten Wechselstrommotoren anwendbar.The axle load changes can be omitted by mechanical means physical, structural or economic reasons are usually only imperfect lift. To reduce the static friction of each axle despite changes in axle load To be able to largely exploit, is for AC motors a circuit to the electrical Adaptation of the individual 1-lotor torques to the respective axle classes developed been. By means of a matching transformer, the motor circuits are either Additional or counter voltages inserted in such a way that the motors of the axes are relieved one reduced and the motors of the additionally loaded axles an increased one Receive starting current. With a more precise setting, the total tensile force of the vehicle to the desired optimum value. This alignment procedure however, it can only be used with AC motors connected in parallel.

Die Erfindung macht von einem Schaltungsprinzip Gebrauch, das einen Zugkraftangleich an die unterschiedlichen Achslasten nicht nur bei Wechselstrom-, sondern auch bei Gleichstrommotoren gestattet und sich für in Serie betriebene Motoren ebenso eignet wie für parallel geschaltete. Die Erfindung bezieht sich demgemäß auf eine Schaltanordnung zum Angleich der Drehmomente von parallel oder in Reihe geschalteten Gleich- oder Wechselstrom-Triebmotoren an die bei elektrischen Fahrzeugen mit Einzelachsantrieb auftretenden Achslastveränderungen. Die Erfindung besteht darin, daß den Kommutatoren der Triebmotoren je Bürstenhalter zwei mechanisch und elektrisch getrennte Bürstengruppen, die beiderseits von der magnetisch neutralen Zone jeweils den gleichen Abstand haben, zugeordnet sind, daß den Kommutatoren über diese Bürstengruppen unsymmetrische Motorströme zugeführt, hierdurch in den Läuferwicklungen der Motoren Querfelder erzeugt und die Hauptfelder geschwächt oder verstärkt werden, wobei den Querfeldern jeweils eine Größe und Richtung gegeben wird, die bei den Motoren der entlasteten Achsen zu verminderten und bei den Motoren der zusätzlich belasteten Achsen zu erhöhten Drehmomenten führen. An Hand der Fig. 1 sei die grundsätzliche Wirkungsweise der Schaltanordnung näher erläutert.The invention makes use of a circuit principle, the one Traction equalization to the different axle loads not only for AC, It is also permitted for DC motors and is suitable for motors operated in series just as suitable as for those connected in parallel. The invention relates accordingly on a switching arrangement for adjusting the torques in parallel or in series switched direct or alternating current traction motors to those in electric vehicles Axle load changes that occur with single-axle drive. The invention exists in that the commutators of the drive motors per brush holder two mechanical and electrically separated groups of brushes on both sides of the magnetically neutral Zone each have the same spacing that are assigned to the commutators above asymmetrical motor currents are fed to these groups of brushes, as a result in the rotor windings the motors generate transverse fields and the main fields are weakened or strengthened, the transverse fields are each given a size and direction that corresponds to the Motors of the relieved axles to be reduced and for the motors of the additional loaded axes lead to increased torques. With reference to Fig. 1 is the basic Operation of the switching arrangement explained in more detail.

Der hier zur Anwendung kommende Reihenschluß-Bahnmotor hat bezüglich der Erregerwicklung E, der Wendefeldwicklung W und der gleichfalls im Ständer untergebrachten Kompensationswicklung K die übliche Schaltung. Er besitzt jedoch je Bürstenhalter zwei mechanisch und elektrisch getrennte Bürstengruppen B 1 und B 2. Letztere befinden sich rechts und links von der magnetisch neutralen Zone im gleichen Abstand von dieser. Der Motorstrom kann der Läuferwicklung mittels der Umschalter S wahlweise über die Bürstengruppen B1 oder B2 zugeführt werden.The series-wound railway motor used here has the usual circuit with regard to the excitation winding E, the reversing field winding W and the compensation winding K, which is also accommodated in the stator. However, for each brush holder it has two mechanically and electrically separate brush groups B 1 and B 2. The latter are located to the right and left of the magnetically neutral zone at the same distance from it. The motor current can be fed to the rotor winding by means of the switch S either via the brush groups B1 or B2.

Sind bei der in Fig. 1 angegebenen Drehrichtung des Läufers die anlaufenden Bürsten B 1 angeschlossen, so entsteht in der Läuferwicklung ein Ouerfeld, das dem von der Erregerwicklung E erzeugten Hauptfeld räumlich entgegengesetzt gerichtet ist. Das Hauptfeld wird also gegenüber einem Betrieb mit in der neutralen Zone stehenden Bürsten geschwächt, womit das Drehmoment bei gleichem Motorstrom abnimmt. Führt man den Strom über die ablaufenden Bürsten B2 zu, so entsteht ein Ouerfeld mit umgekehrter Richtung, wodurch das Hauptfeld und das Drehmoment des Motors verstärkt werden. Diese Drehmomentregelung wird bei der Reihenschaltung von Motoren angewendet, wo der Strom in jedem Motor stets die gleiche Größe hat. Hierbei nehmen die Motorspannungen mit steigender Drehzahl unterschiedliche Werte an, da die Rotationsspannung des Motors mit dem verstärkten Hauptfeld größer wird als im Läufer des Motors mit geschwächtem Feld. In der Parallelschaltung, wo alle Motoren die gleiche Betriebsspannung haben, erzwingen die Querfelder unterschiedliche Ströme. In diesem Falle erfolgt der Anschluß an die Bürsten im umgekehrten Sinne. Um das Drehmoment zu erhöhen, werden also die anlaufenden Bürsten B 1 benutzt, wobei das geschwächte Hauptfeld zu einem Ansteigen des Motorstromes führt. Auf die beschriebene Weise lassen sich demnach sowohl bei in Reihe als auch bei parallel geschalteten Gleich- und Wechselstrommotoren die Zugkräfte der entlasteten Achsen vermindern und der stärker belasteten Achsen in dem gewünschten Ausmaß erhöhen, wenn der Abstand der Bürstenmittellinien von der neutralen Zone der Motoren richtig gewählt wird.Are in the direction of rotation of the rotor indicated in Fig. 1, the starting Brushes B 1 connected, a Ouerfeld arises in the rotor winding that corresponds to the The main field generated by the excitation winding E is spatially oppositely directed is. The main field is therefore compared to a company with standing in the neutral zone Brushes weakened, which means that the torque decreases with the same motor current. Leads if the current is supplied via the running brush B2, an Ouer field with the opposite is created Direction, which increases the main field and torque of the motor. These Torque control is used when motors are connected in series, where the current is always the same size in every engine. The motor voltages take with it different values as the speed increases, as the rotational voltage of the motor becomes larger with the reinforced main field than in the rotor of the motor with the weakened one Field. In the parallel connection, where all motors have the same operating voltage, The cross-fields force different currents. In this case the connection takes place to the brushes in the opposite sense. In order to increase the torque, the approaching brushes B 1 used, with the weakened main field increasing of the motor current leads. In the manner described, both in series as well as with direct and alternating current motors connected in parallel Reduce the tensile forces of the relieved axles and the heavier loaded axles in increase to the desired extent when the distance of the brush centerlines from the neutral zone of the motors is chosen correctly.

Die in Fig.1 angegebene Schaltung, die nur zur Erläuterung des Prinzips dienen sollte, bedarf noch einiger Abwandlungen, um allen Anforderungen konstruktiver und betrieblicher Art zu genügen. Die Schaltung würde z. B. eine im Verhältnis zu den praktisch vorkommenden Achslaständerungen zu starke Drehmomentänderung ergeben, da zur Erzeugung des Ankerquerfeldes der volle Motorstrom und zu viele Windungen der Läuferwicklung benutzt werden müssen. Letztere sind durch den zwischen der neutralen Zone und der Bürstenmittellinie befindlichen Winkel bestimmt, der wegen der hier notwendigen Bürstenbreite größer als erwünscht ist. Die Drehmomentangleichung ließe sich ferner nicht auf beliebige Zwischenwerte einstellen. Schließlich berücksichtigt die Schaltung nur die Verhältnisse beim Anfahren und eignet sich noch nicht für einen Motorbetrieb im höheren Drehzahlbereich, wo die Stromwendespanming bei den aus der neutralen Zone stark verschobenen Bürsten Kommutierungsstörungen verursachen würde.The circuit shown in Fig.1, which is only used to explain the principle should serve, still needs some modifications to meet all requirements more constructively and operational nature. The circuit would e.g. B. one in relation to the axle load changes that occur in practice result in excessive torque changes, because the full motor current and too many windings are used to generate the armature transverse field the rotor winding must be used. The latter are due to the between the neutral Zone and the brush center line located angle determined because of the here necessary brush width is larger than desired. The torque adjustment leaves furthermore, do not adjust to any intermediate values. Finally considered the circuit only the conditions when starting and is not yet suitable for a motor operation in the higher speed range, where the Stromwendespanming with the Brushes that are strongly displaced from the neutral zone cause commutation faults would.

Diese Unzulänglichkeiten vermeidet die Schaltung nach Fig. 2. Hier werden den Bürstengruppen B 1 und B 2 ohrnsche Widerstände R 3 sowie wahlweise R 1 oder R 2 derart vorgeschaltet, daß alle Bürsten Strom führen, die Stromverteilung Jedoch unsymmetrisch wird. Ist z. B. der Widerstand R 2 bei geöffnetem Schalter S 1 durch den geschlossenen Schalter S2 kurzgeschlossen, so fließt über die Bürstengruppe B2 ein höherer Anteil des Motorstromes als über die Bürsten B 1. Der Differenzstrom erzeugt dann bei der angegebenen Drehrichtung des Läufers in dessen Wicklung ein das Hauptfeld verstärkendes Querfeld. Da sich alle Bürsten an der Stromzuführung beteiligen, kann ihre Breite gegenüber der Ausführung nach Fig. 1 verringert werden, wodurch sich die Abstände zwischen der neutralen Zone und den Bürstenmittellinien in der erwünschten Weise verkleinern.The circuit according to FIG. 2 avoids these inadequacies. Here the brush groups B 1 and B 2 ohrnian resistors R 3 and optionally R 1 or R 2 connected upstream in such a way that all brushes carry current, the current distribution However, it becomes unbalanced. Is z. B. the resistor R 2 with the switch open S 1 short-circuited by the closed switch S2, then flows through the brush group B2 a higher proportion of the motor current than via the brushes B 1. The differential current then generates a winding in the rotor in the specified direction of rotation Cross-field reinforcing the main field. Since all brushes are on the power supply participate, their width can be reduced compared to the embodiment of Fig. 1, thereby increasing the distances between the neutral zone and the brush center lines zoom out in the way you want.

Im allgemeinen ist ein Drehmomentangleich an die Achslasten zur vollen Haftwertausnutzung nur beim Anfahren erforderlich, wo die höchsten Zugkräfte benötigt werden. Die Einschaltung der Widerstände R 1 oder R2 kann daher auf die Anfahrperiode beschränkt bleiben. Von einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit ab werden die Schalter S1 und S2 geschlossen. Den Bürstengruppen sind dann nur noch die WiderständeR3 vorgeschaltet. Sie dienen zur Begrenzung von Ausgleichströmen, die als Folge der zwischen den Bürstengruppen verbleibenden Differenzspannungen auftreten können. Die Widerstände R3 sind gleich groß, so daß sich der Motorstrom auf die Bürstengruppen symmetrisch aufteilt. Da hierbei ähnliche Verhältnisse vorliegen wie bei in der neutralen Zone stehenden Einfachbürsten entsprechender Breite, wird die Kommutierung bei hoher Drehzahl nicht gestört.In general, a torque adjustment to the axle loads is to the full Utilization of the adhesive strength only required when starting where the highest tensile forces are required will. Switching on the resistors R 1 or R2 can therefore affect the start-up period remain limited. From a certain driving speed the switches S1 and S2 closed. The brush groups are then only preceded by the resistors R3. They are used to limit equalizing currents that occur as a result of between the groups of brushes remaining differential voltages can occur. The resistors R3 are the same large, so that the motor current is divided symmetrically between the groups of brushes. There the conditions here are similar to those in the neutral zone Single brushes of the appropriate width, the commutation at high speed is not disturbed.

Die Steuerung der Schalter kann durch einen Geschwindigkeitsmesser oder durch die von der Motordrehzahl abhängige Läuferspannung erfolgen. Die Schalterstellung wechselt bei einer Umkehr der Fahrtrichtung zweckmäßig selbsttätig, um sicherzustellen, daß die Drehmomentangleichung an die Achlaständerung stets im richtigen Sinne wirkt. Zu diesem Zweck werden die Schalter S 1 und S2 mit dem Fahrtrichtungswender elektrisch gekuppelt. Es kann ferner erwünscht sein, den Grad der Drehmomentheeinflussung zu verändern, wenn die Anfahrzugkraft einer Lokomotive z. B. im Güterzugdienst stärker ausgenutzt werden soll als beim Einsatz im Personenzugbetrieb. Um dies zu ermöglichen, macht man die Vorwiderstände R 1 und R 2 regelbar, wobei sich die Verstellung in den gewünschten Stufen z. B. mittels Umschaltern vornehmen läßt.Control of the switch can be through a speedometer or by the rotor voltage, which is dependent on the motor speed. The switch position changes automatically when the direction of travel is reversed to ensure that that the torque adjustment to the axle load change always works in the right sense. For this purpose, the switches S 1 and S2 with the reverser are electrical coupled. It may also be desirable to increase the degree of torque influence change when the starting tractive effort of a locomotive z. B. stronger in freight train service should be exploited than when used in passenger train operations. In order to make this possible, makes the series resistors R 1 and R 2 adjustable, the adjustment in the desired levels z. B. can be made by means of toggles.

Die Anordnung nach Fig.2 ist vorzugsweise für Gleichstrommotoren bestimmt. Bei Wechselstrommotoren lassen sich die elektrischen Verluste dadurch vermindern, daß man an Stelle der ohmschen Widerstände R1 bis R3 induktive Widerstände verwendet. In Fig. 3 ist eine entsprechende Schaltung mit Drosselspulen D 1 und D 2 angegeben. Zur Veränderung ihrer Induktivität besitzen die Drosselspulen Sekundärwicklungen, die mittels der Schalter S1 und S2 über regelbare induktive Widerstände D 3 kurzgeschlossen werden können. Hierbei kommt man mit verhältnismäßig kleinen Schaltern und Zuleitungsquerschnitten aus, da sich die Ströme in den Sekundärkreisen durch passende Wahl der Wicklungen niedrig halten lassen. Die Widerstände D 3 sind so bemessen, daß die Drosselspulen D1 und D2 noch eine genügend große Induktivität behalten, um den infolge der Differenzspannung zwischen den Bürstengruppen auftretenden Ausgleichstrom ausreichend zu begrenzen.The arrangement according to Figure 2 is preferably intended for DC motors. In AC motors, the electrical losses can be reduced by using inductive resistors instead of the ohmic resistors R1 to R3. In Fig. 3, a corresponding circuit with choke coils D 1 and D 2 is given. To change their inductance, the choke coils have secondary windings which can be short-circuited by means of switches S1 and S2 via adjustable inductive resistors D 3. Here you can get by with relatively small switches and lead cross-sections, since the currents in the secondary circuits can be kept low by choosing the right windings. The resistors D 3 are dimensioned so that the choke coils D1 and D2 still retain a sufficiently large inductance to sufficiently limit the equalizing current occurring as a result of the differential voltage between the groups of brushes.

Eine weitere Schaltung, die noch verlustärmer ist, zeigt Fig. 4. Um die induktiven Spannungsabfälle der Arbeitsströme weitgehend zu vermeiden, sind die getrennten Drosselspulen durch einen Stromteiler mit den Primärwicklungen T 1 und T 2 ersetzt. Mit Hilfe des über die Primärwicklungen fließenden Ausgleichstromes wird das magnetische Gleichgewicht des Stromteilers so verändert, daß sich die Verteilung des Motorstromes auf die Bürstengruppen B1 und B2 beliebig regeln läßt, wodurch man die erwünschte Beeinflussung des Drehmomentes erhält. Zur Einstellung der Größe und Richtung des Ausgleichstromes besitzt der Stromteiler eine Sekundärwicklung T3, an die ein regelbarer induktiver Widerstand D oder ein regelbarer Kondensator C wahlweise angeschlossen werden. Bei einer Zusammenschaltung der Wicklungen T3 beider Stromteiler gemäß Fig. 4 brauchen D und C nur einmal vorhanden zu sein. Ist z. B. der Widerstand D eingeschaltet, so fließt bei der angegebenen Drehrichtung des Motors über die Wicklungen T 1 und die Bürstengruppen B 1 ein höherer Strom als über die Gruppen B2, wodurch das Hauptfeld geschwächt wird. Bei eingeschaltetem Kondensator C ist die Wirkung umgekehrt. Um nach beendigtem Anfahrvorgang eine symmetrische Stromverteilung zu erreichen, wird der mit dem Fahrtrichtungswender verbundene und drehzahlabhängig gesteuerte Schalter in seine Mittelstellung gebracht.Another circuit, which is even less lossy, is shown in FIG. 4. In order to largely avoid the inductive voltage drops of the working currents, the separate choke coils are replaced by a current divider with the primary windings T 1 and T 2 . With the help of the equalizing current flowing through the primary windings, the magnetic equilibrium of the current divider is changed in such a way that the distribution of the motor current to the brush groups B1 and B2 can be regulated as desired, whereby the desired influence on the torque is obtained. To adjust the magnitude and direction of the equalizing current, the current divider has a secondary winding T3 to which an adjustable inductive resistor D or an adjustable capacitor C can be optionally connected. When the windings T3 of the two current dividers are interconnected according to FIG. 4, D and C only need to be present once. Is z. If, for example, the resistor D is switched on, in the specified direction of rotation of the motor, a higher current flows through the windings T 1 and the brush groups B 1 than through the groups B2, whereby the main field is weakened. When the capacitor C is switched on, the effect is reversed. In order to achieve symmetrical power distribution after the start-up process, the switch, which is connected to the reverser and is controlled depending on the speed, is brought into its central position.

Je Motor sind unabhängig von seiner Polzahl nur zwei Stromteiler erforderlich, wenn die Bürsten gleichen Potentials sämtlicher Bürstenhalter einer Polarität durch Sammelringe miteinander verbunden werden. Bei sinngemäßer Zusammenfassung der Bürsten kommt man bei den Schaltungen nach Fig. 2 und 3 gleichfalls mit zwei Gruppen von Stromverteilungswiderständen je Motor aus.Regardless of the number of poles, only two current dividers are required for each motor, when the brushes have the same potential of all brush holders of one polarity Collecting rings are connected to each other. If the brushes are grouped together accordingly one comes with the circuits according to Fig. 2 and 3 also with two groups of Power distribution resistors per motor.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Switching arrangement for adjusting the torques of DC or AC drive motors connected in parallel or in series to the Axle load changes that occur in electric vehicles with single-axle drive, characterized in that the commutators of the drive motors per brush holder two mechanically and electrically separated groups of brushes (B l and B2) on both sides each have the same distance from the magnetically neutral zone are that the commutators have asymmetrical motor currents via these groups of brushes supplied, thereby generating transverse fields in the rotor windings of the motors and the main fields are weakened or strengthened, with the cross fields respectively a size and direction is given, which is the case with the motors of the relieved axes to be reduced and, in the case of the motors of the additionally loaded axles, to be increased Lead torques.

2. Switching arrangement according to claim 1, characterized in that that to generate a transverse field weakening the main field, the larger portion of the motor current the starting brushes and for the main field reinforcement the larger one Motor current component is fed to the running brushes.

3. Arrangement according to the claims 1 and 2, characterized in that a transverse field when motors are connected in series is generated, which weakens the main field in the motor of the relieved axis and in the Motor of the additionally loaded axle reinforces the main field.

4. Arrangement according to claims 1 and 2, characterized in that when motors are connected in parallel a transverse field is generated, which is the main field of the motor of the relieved axis and the motor of the additionally loaded axle weakens.

5. Arrangement according to claims 1 to 4, characterized in that the asymmetrical current distribution ohmic resistors connected upstream of the brush groups on the double brushes is achieved.

6. Arrangement according to claims 1 to 4, characterized in that that to generate the asymmetrical current distribution in AC motors Brush groups inductive resistors are connected upstream.

7. Arrangement according to the Claims 1 to 4 and 6, characterized in that the inductive resistors are designed as a flow divider. B.

Arrangement according to claims 1 to 7, characterized characterized in that the degree of asymmetry of the current distribution and thus the size the torque influence can be adjusted by using adjustable resistors can, what with the inductive resistances by on secondary windings of the choke coils or switching devices connected to the current divider.

9. Arrangement according to the Claims 1 to 4 and 6 to 8, characterized in that when using flow dividers the direction of the transverse field by optionally connecting inductive or capacitive Resistances on the secondary windings of the current divider is changed.

10. Arrangement according to claims 1 to 9, characterized in that the transverse field direction in Depending on the direction of rotation of the motors by coupling the to change the Brush current distribution serving switching devices with the direction reverser is automatically reversed.

11. Arrangement according to claims 1 to 10, characterized characterized in that the unbalanced current distribution to the brushes and thus influencing the engine torque after the start-up process has ended speed-dependent control of the corresponding switching devices automatically canceled will.