DE1073022B - Electric multi-phase drive system for vehicles with their own power source - Google Patents
Electric multi-phase drive system for vehicles with their own power sourceInfo
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Description
Elektrisches Mehrphasen-Antriebssystem für Fahrzeuge mit eigener Kraftquelle Bei Schienenfahrzeugen mit einer Verbrennungskraftmaschine, also beispielsweise einem Dieselmotor als Kraftquelle, ist man bestrebt, den Dieselmotor auf einer eingestellten Fahrstufe unabhängig von Fahrgeschwindigkeit und Fahrwiderstand mit konstanter Drehzahl und Leistung laufen zu lassen. Zur Regulierung der Leistung werden verschiedene Drehzahlstufen eingestellt. Auf diese Weise wird eine-optimale und wirtschaftliche Ausnutzung des Dieselmotors erreicht.Electric multi-phase drive system for vehicles with their own power source In rail vehicles with an internal combustion engine, for example With a diesel engine as the power source, one strives to have the diesel engine on a set Driving level independent of driving speed and driving resistance with constant speed and run performance. Various Speed levels set. In this way it becomes an optimal and economical one Utilization of the diesel engine reached.
Die Kraftübertragungseinrichtung hat also die Aufgabe, als Drehmom#entwandler zu wirken, d. h., sie sorgt dafür, daß der mit konstanter Drehzahl laufende Dieselmotor unabhängig von der Drehzahl und dem Drehmoment der Fajhrmotoren mit konstantem Drehmoment belastet wird.The power transmission device thus has the task of acting as a torque converter, i. In other words, it ensures that the diesel engine running at constant speed is loaded with constant torque regardless of the speed and torque of the Fajhrmotoren.
Bisher wird fast ausschließlich ein Gleichstromsystem mit Leonardschaltung zur elektrischen Kraftübertragung angewandt. Die gestellte Aufgabe kann in diesem Fall durch eine geeignete Stromspannungskennlinie des Generators in relativ einfacher Weise erfüllt werden. Der Nachteil des Gleichstromsystems besteht in dem hohen Gewicht und der Anfälligkeit der Kommuta,to,r,en beim Leonardgenerator und bei den Fahrmo-toren, ferner darin, daß infolge der hyperbelartigen Stromspannungskennlinie der Generator ein gegenüber einer normal ausgelegten Maschine wesentlich größeres Gewicht erhält.So far, a direct current system with a Leonard circuit has been used almost exclusively applied to electrical power transmission. The task at hand can be in this Case by means of a suitable current-voltage characteristic curve of the generator in a relatively simple way Way to be fulfilled. The disadvantage of the direct current system is its heavy weight and the susceptibility of the commutation, to, r, en in the Leonard generator and in the traction motors, also in the fact that due to the hyperbolic current-voltage characteristic of the generator a significantly greater weight compared to a normal machine.
Ferner wurde vorgeschlagen, an Stelle des Gleichstromsysten-is ein Mehrphasensystern mit Frequenzregelung zur Kraftäbertragung heranzuziehen und als Fahrmotoren die leichten und robusten Asynchroninotoren mit Käfigläufern zu verwenden.It was also proposed to use a DC system instead of a direct current system Use multiphase systems with frequency control for power transmission and as Travel motors to use the light and robust asynchronous motors with squirrel cage rotors.
Da die Primärmaschine des Stromerzeugers mit konstanter Drehzahl und Leistung arbeiten soll, kann die Frequenz für die Fahrmotoren nur durch Änderung der Drehzahl des von der Primärmasaine angetriebenen Synchrongenerators über eine Flüssigkeitskupplung geregelt werden. Damit kommt aber ein weiteres raum- und gewichtsvermehrendes Glied zur Kraftübertragungsanlage hinzu.Since the primary machine of the power generator operates at constant speed and Power should work, the frequency for the traction motors can only be changed by changing the speed of the synchronous generator driven by the primary Maaine via a Fluid coupling can be regulated. But with that comes another one that increases space and weight Link to the power transmission system.
Außerdem ist eine Kraftübertragungsanlage für elektrisch angetriebene Züge mit einer wärmetechnischen Stromerzeugungsanlage, in welcher der Wechsel- bzw. Drehstrom für die Fahrmotoren erzeugt wird, be-Icannt. Zur Stromerzeugung dienen zwei oder mehr in Kaskade schaltbare Asynchrongeneratoren mit verschiedener Polzahl, die einzeln oder in verschiedener Kaskadenschaltung Ströme verschiedener Frequenzen abgeben. Die Frequenzen sind bei dieser Anlage nur in Stufen von beispielsweise 20, 40, 60 und 100, Hz einstellbar. Da aber auch dazwischenliegende Frequenzen benötigt werden, ist außer der Frequenzänderung durch Umschaltung der Maschinen eine Einrichtung zur zusätzlichen Frequenzregelung vorgesehen, welche eine stetige Frequenzregelung der den Fahrmotüren zugeführten Ströme über einen weiten Frequenzbereich gestattet. Diese zusätzliche Frequenzregelung kann beispielsweise eine Schlupfregelung mit Vorschaltwiderständen im Sekundärkreis sein, die allerdings einen erheblichen Leistungsverlust verursacht. Außerdem ist eine Zusatzregelung durch Drehzahländerung der Wärmekraftmasichine möglich, die aber dem Grundsatz widerspricht, die Wäxmemas#chine soweit wie irgend möglich mit gleichbleibender Drehzahl zu betreiben. Schließlich können als weitere Mittel für die Zusatzregelung verschiedene Erregungen überlagert werden, und es kann auch die Anordnung so getroffen wexden, daß de-in ganzen Maschinensatz ein Hauptstromcharakter gegeben wird- Alle diese Vorschläge für die unbedingt erforderliche Zusatzregelung komplizieren aber die Anordnung erheblich.In addition, a power transmission system for electrically powered trains with a thermal power generation system in which the alternating or three-phase current for the traction motors is generated is known. Two or more asynchronous generators with different numbers of poles, which can be switched in a cascade and which emit currents of different frequencies individually or in different cascade connections, are used to generate electricity. With this system, the frequencies can only be set in steps of, for example, 20, 40, 60 and 100 Hz. However, since frequencies in between are also required, a device for additional frequency control is provided in addition to the frequency change by switching the machines, which allows constant frequency control of the currents supplied to the drive motors over a wide frequency range. This additional frequency control can, for example, be a slip control with series resistors in the secondary circuit, which, however, causes a considerable loss of power. In addition, an additional control by changing the speed of the thermal power machine is possible, but this contradicts the principle of operating the Wäxmemachine as much as possible with a constant speed. Finally, various excitations can be superimposed as further means for the additional control, and the arrangement can also be made in such a way that the entire machine set is given a main flow character. However, all these suggestions for the absolutely necessary additional control complicate the arrangement considerably.
Die Erfindung betrifft ein ' elektrisches Mehrphasen-Antriebssystem für Fahrzeuge mit eigener Kraftquelle, durch die zwei fremderregteWechselstrom-Einphas,engeneratoren in Tandembauart mit gdeichbleibender Drehzahl angetrieben werden, wobei die beiden Generatoren tun 90' el. gegeneinander in der Phase verschobene Spannungen erzeugen und Drehfeldfalirmotoren mit zweiphasiger Wicklung speisen. Bei einem solchen bekannten Antriebssystem ist allerdings eine weitgehende Drehzahlregelung der Antriebsmotoren nicht möglich. Eine vorteilhafte Lösung ergibt sich gemäß der Erfindung bei einem solchen Antriebssystem dadurch, daß Einphasen-Kommutatorgeneratoren verwendet werden, die von einer drehzahlgeregelten Synchronmaschine erregt werden und eine konstante Spannung mit stufenlos veränderlicher Erequenz zur Speisung der Fahrmotoren liefern. Als Fahrmotoren werden somit die einfachen Asynchionmotoren mit Kurzschlußanker verwendet, so daß damit die Anwendung von Kommutatormaschinen auf die Generatorseite beschränkt bleibt und eine Gewichtseinsparung erzielt wird. Da Kommutatormaschinen großer Leistung und hoher Frequenz vielpolig ausgeführt werden, würde es schwierig sein, die bei Drehstrom-Kommutatormaschinen erforderliche Zahl der Bürsten und Wendepole auszuführen. Daher werden zwei fremderregte Wechselstrom-Einphasen-Kommutatorgeneratoren, vorzugsweise in Tandembauart mit großer Polzahl verwendet, die von zwei Dieselmotoren angetrieben werden. Durch geeignete Schaltung wird ein verkettetes Zweiphasensystem gebildet, und es werden zweiphasige Asynchronmotoren mit variabler Frequenz, aber konstanter Spannung gespeist. Durch Konstanthaltung der Spannu-ng istes möglich, die Generatoren so klein wie möglieh auszulegen. Zur Erregung der Einphasengeneratoren dient eine Synchronmaschine mit zwei räumlich um 90' el. gegeneinander versetzten Wechselstromwicklungen. Durch Veränderung der Drehzahl dieses Synzhrongenera,tors können Frequenzänderungen irn Bereich von 30 bis 100 Hz erzielt werden.The invention relates to an ' electrical multi-phase drive system for vehicles with their own power source, by means of which two separately excited alternating current single-phase generators in tandem design are driven with constant speed, the two generators doing 90' el feed two-phase winding. In such a known drive system, however, extensive speed control of the drive motors is not possible. An advantageous solution results according to the invention in such a drive system in that single-phase commutator generators are used which are excited by a speed-controlled synchronous machine and supply a constant voltage with a continuously variable frequency to feed the traction motors. The simple asynchronous motors with short-circuit armature are thus used as traction motors, so that the use of commutator machines is limited to the generator side and a weight saving is achieved. Since commutator machines of high power and high frequency are designed with multiple poles, it would be difficult to implement the number of brushes and reversing poles required in three-phase commutator machines. Therefore, two separately excited alternating current single-phase commutator generators are used, preferably in a tandem design with a large number of poles, which are driven by two diesel engines. A linked two-phase system is formed by suitable switching and two-phase asynchronous motors with a variable frequency but a constant voltage are fed. By keeping the voltage constant, it is possible to make the generators as small as possible. A synchronous machine with two alternating current windings spatially offset by 90 ' el. Is used to excite the single-phase generators. By changing the speed of this synchronous generator, frequency changes in the range from 30 to 100 Hz can be achieved.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt. Die Anordnung auf dem Trieb-fahrzeug besteht aus zwei, Dieselmo,toren 1 und l', deren jeder einen freinderregten Generator 2 und 2' großer Polzahl antreibt. Die Generatoren sind als Kommutatormaschinen ausgebildet und so geschaltet, daß sie ein verkettetes Zweiphasensystern 'bilden. Die Generatoren besitzen «#Vendefeldwicklungen 20 und 21 bzw. 20' und 21' sowie Erregerwicklungen 22 bzw. 22'. Außerdem sind Kompensationswicklungen 23 bzw. 23' vorhanden. Es ist angenommen, daß mehrere Fahrmotoren 3 vorhanden sind, die von den beiden Generatoren 2 und 2' gespeist werden. Bei den Fahrmotoren handelt es sich um zweilyhasige Asynchronniotoren mit Kurzschlußanker. Zu der Anordnung gehören Umschalter 4 bzw. 4' mit den 'Polen a, b und c. Bei Betrieb sind die Pole b und c ge - schlossen, der Pol a geöffnet. Die Anordnung enthält ferner einen Synchrongenerator 5 mit zwei Wechselstromwicklungen, die räumlich um 90' el. gegeneinander versetzt sind. Dieser Generator speist die Erregerwicklungen 22 und 22' der Hauptgeneratoren 2 und 2. Ferner ist ein Synchroligenerator 6 vorhanden, .dessen Spannung zur Kompensation der bei den Wechselstrom - Kommutatormaschinen auftretenden EMK der Transformation dient. Der Synchrongenerator 6 ist ebenfalls zweiphasig und speist die Wendefeldwicklungen 21 und 21'. Die beiden Synchrongeneratoren 5 und 6 werden von einem gemeinsamen Motor 7 angetrieben, der beispielsweise ein Gleichstro-mmotor mit einer Erregerwicklung 2' sein kann. Die Erregerwicklung 7' wird von einer Gleichstromquelle kon-.stanter Spannung gespeist. Der Ankerwicklung des Motors 7 wird eine veränderliche Spannung zugeführt, wie im folgenden noch beschrieben wird.An embodiment of the invention is shown schematically in the drawing. The arrangement on the traction vehicle consists of two diesel engines 1 and 1 ', each of which drives a naturally excited generator 2 and 2' with a large number of poles. The generators are designed as commutator machines and are connected in such a way that they form an interlinked two-phase system. The generators have “#Vendefeldwicklungen 20 and 21 or 20 'and 21' as well as excitation windings 22 and 22 '. Compensation windings 23 and 23 ' are also provided. It is assumed that there are several traction motors 3 which are fed by the two generators 2 and 2 '. The traction motors are two-phase asynchronous motors with short-circuit armature. The arrangement includes changeover switches 4 and 4 'with the' poles a, b and c. In operation, the poles b and c ge - closed, the Pol a opened. The arrangement also contains a synchronous generator 5 with two alternating current windings which are spatially offset from one another by 90 'el. This generator supplies the excitation coils 22 and 22 'of the main generators 2 and 2. Further, a Synchroligenerator 6 is present, .dessen voltage for compensating for the AC - EMF occurring commutator of the transformation is used. The synchronous generator 6 is also two-phase and feeds the turning field windings 21 and 21 '. The two synchronous generators 5 and 6 are driven by a common motor 7 which, for example, can be a direct current motor with an excitation winding 2 ' . The excitation winding 7 ' is fed by a direct current source of constant voltage. The armature winding of the motor 7 is supplied with a variable voltage, as will be described below.
Die Schaltung enthält noch einen Schalter 8 mit einem Überbrückungswiderstand 9. Außerdem sind Entkopplungstransforma-toren 10 und lW in den Stromkreisen der Wendefeldwicklungen 20 und 20' bzw. 2:1 und 21' vorhanden. Im Ankerkreis der Hauptgenerab#ren liegen Stromwandler 11 und 11'. Ein magnetischer Verstärker 12 liefert die veränderliche Ankerspannung für den Antriebsmotor 7 des Erre,-erumfo,.rmers. Ein Fahrschalter 13 wirkt auf den Sollwertgeber 14 für den Magnetverstärker und gleichzeitig auf die Füllungsversteller 15 und 15' der beiden Dieselmotoren.The circuit also contains a switch 8 with a bridging resistor 9. There are also decoupling transformers 10 and 1W in the circuits of the turning field windings 20 and 20 'or 2: 1 and 21'. Current transformers 11 and 11 ' are located in the armature circuit of the main generators. A magnetic amplifier 12 supplies the variable armature voltage for the drive motor 7 of the Erre, -erumfo, .rmer. A travel switch 13 acts on the setpoint generator 14 for the magnetic amplifier and at the same time on the filling adjuster 15 and 15 'of the two diesel engines.
Die Einphasengeneratoren 2 und 2' besitzen, wie schon erwähnt, je zwei Wendefeldwicklungen. Davon sind die Wicklungen 20 und 20' die normalen, vom Ankerstroni durchflossenen Wicklungen zur Kompensation der Stromwendespannung. Die anderen Feldwicklungen 21 und 21' dienen zur Kompensation der transformatorischen EMK und werden vom Synchrongenerator 6 fremdgespeist. Die Stromkreise der Wendefeldwicklungen 21 und 21' werden über die Entkopplungstransformatoren 10 und 10' so geführt, daß sich die durch die Wendefeldwieldungen verursachte Kopplung wieder aufhebt und eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Stromkreise vermieden wird.As already mentioned, the single-phase generators 2 and 2 'each have two reversing field windings. Of these, the windings 20 and 20 'are the normal windings through which the armature current flows to compensate for the reversing voltage. The other field windings 21 and 21 ′ serve to compensate for the transformer emf and are externally fed by the synchronous generator 6. The circuits of the turning field windings 21 and 21 'are routed via the decoupling transformers 10 and 10' in such a way that the coupling caused by the turning field windings is canceled again and mutual interference between the two circuits is avoided.
Die Fahrmotoren 3 werden im Dauerbetrieb, d. h. bei geschlossenen Schaltern 4 und 4# mit konstantem Strom gespeist, d. h., bei konstanter übertragener Leistung bleibt--die Spannung der Generatoren 2 und 2' auch konstant, und es wird eine günstige Baugröße dieser Generatoren erreicht. Um diesen Betriebzustand zu erzielen, ist es erforderlich, daß der Erregerstrom durch die Erregerwicklungen 22 und 22' konstant, der Strom für die fremderregten Wendefeldwicklungen 21 und 21' dagegen bei vollständiger Kompensation der transformatorischen EMK der Frequenz porportional. ist. Demnach bleibt die Erregung des Synchrongenerators 5 konstant, und sie ist an die nicht bezeichnete Gleichstro#mquelle angeschlossen. Die Erregung des Synchrongenerators 6 dagegen, der die Wendefeldwicklungen der Hauptgeneratoren speist, muß sich dagegen proportional mit der Frequenz ändern. Dies era h aus den Blindwiderständen der Erreger- und gibt sic Wendefeldwicklungen der Hauptgeneratoren 2 und 2', die der Frequenz proportional sind. Beide Synchrongenerato,ren 5 und 6 werden von dem fremderregten Gleichstrommotoir 7 mit einer Drehzahl angetrieben, der die Frequenz proportional ist.The traction motors 3 are in continuous operation, d. H. fed with constant current when switches 4 and 4 # are closed, d. That is, with constant transmitted power - the voltage of the generators 2 and 2 'also remains constant, and a favorable size of these generators is achieved. In order to achieve this operating state, it is necessary that the excitation current through the excitation windings 22 and 22 'is constant, while the current for the separately excited coil windings 21 and 21' is proportional to the frequency with complete compensation of the transformer emf. is. Accordingly, the excitation of the synchronous generator 5 remains constant, and it is connected to the direct current source (not designated). On the other hand, the excitation of the synchronous generator 6 , which feeds the turning field windings of the main generators, must change proportionally with the frequency. This what h from the reactance of the exciter and gives sic turning field windings of the main generators 2 and 2 ', which are proportional to the frequency. Both Synchrongenerato, Ren 5 and 6 are driven by the separately excited DC motor 7 at a speed that is proportional to the frequency.
über einen einfachen Regelkreis, wird der Strom der Fahrmotoren 3, und damit die Generatoren- und Dieselleistung, konstant gehalten. Der Strom der Hauptgeneratoren,2 und 2' wird über Stromwandler 11 und 11' auf die Steuerwicklungen des nur Schematisc,h angedeutetenMagnetverstärkers12 gegeben. Dieser speist mit seiner - Arbeitswicklung den Anker des Antriebsmotors 7 des Erregerumformers, dessen Erregerwicklung 7' an konstanter Spannung liegt. Die Drehzahl des Erregerumformers, und damit die Frequenz, ist dann proportional der Ausgangsspannung des Magnetverstärkers 12. Die Ausgangsspannung des Magnetverstärkers 12 dient außerdem zur Erregung des Synchrongenerators 6, die, wie oben dargelegt, der Frequenz proportional anwachsen müß.The current of the traction motors 3, and thus the generator and diesel output, is kept constant via a simple control loop. The current of the main generators 2, 2 and 2 'is applied via current transformers 11 and 11' to the control windings of the magnetic amplifier 12, which is only indicated in the diagram. This feeds with its - working winding the armature of the drive motor 7 of the exciter converter, the exciter winding 7 'of which is at constant voltage. The speed of the exciter converter, and thus the frequency, is then proportional to the output voltage of the magnetic amplifier 12. The output voltage of the magnetic amplifier 12 is also used to excite the synchronous generator 6, which, as explained above, must increase proportionally to the frequency.
Weicht der Fahrmotorstrom von seinem Sollwert ab, so wird die Frequenz über die Stromwandler 11 und II', den Magnetverstärker 12, den Antriebsrnotor 7 und den Synchrongenerator 5 derart geregelt, daß die Drehzahl der Fahrmotoren 3, und damit die Fahrgeschwindigkeit, sich im richtigen Sinne ändert und der Fahrmotorstrom seinem Sollwert zugeführt wird. Die einzelnen Fahrstufen werden mit dem Fahrschalter 13 eingestellt, der gleichzeitig die Füllungsversteller 15 und 15' der beiden Dieselmotoren und den Sollwertgeber 14 des Fahrmotorstromes für den Magnetverstärker 12 derart steuert, daß jeder Fahrstufe und damit jeder Drehzahl des Dieselmotors, ein Sollstrom entspricht, der im Generator ein für den Dieselmotor günstiges Drehmoment exzeugt, d. h. für den geringsten Brennstoffverbrauch sorgt.If the traction motor current deviates from its nominal value, the frequency is controlled via the current converters 11 and II ', the magnetic amplifier 12, the drive motor 7 and the synchronous generator 5 in such a way that the speed of the traction motors 3, and thus the driving speed, are in the correct direction changes and the traction motor current is supplied to its setpoint. The individual speed levels are set with the travel switch 13 , which simultaneously controls the filling adjuster 15 and 15 'of the two diesel engines and the setpoint generator 14 of the traction motor current for the magnetic amplifier 12 in such a way that each speed level and thus each speed of the diesel engine corresponds to a setpoint current that corresponds to the The generator generates a torque which is favorable for the diesel engine, d. H. ensures the lowest fuel consumption.
Fällt ein Dieselmotor infolge einer Störung während der Fahrt aus, so ist es möglich, über den Widerstand 9 die Fahrmotoren 3 einphasig anzufahren und im Dauerbetrieb unter Kurzschließen des Widerstandes 9 durch den Schalter 8 einen Einphasen-Fahrbetrieb verminderter Leistung aufrechtzuerhalten. Mit Hilfe der zugehörigen Schalter 4 und 4' wird das betreffende Ag- gregat abgeschaltet, d. h., der Schalter befindet sich dann in der gezeichneten Stellung. Über den Ruhekontakt a und den Widerstand 9 wird die spannungslose Phase der Motoren auf die spannungsführende Phase geschaltet.If a diesel engine fails as a result of a fault while driving, it is possible to start the traction motors 3 in single phase via the resistor 9 and to maintain a single-phase driving operation with reduced power in continuous operation by short-circuiting the resistor 9 with the switch 8. With the help of the associated switches 4 and 4 ', the relevant unit is switched off, ie. that is, the switch is then in the position shown. The dead phase of the motors is switched to the live phase via the normally closed contact a and the resistor 9.
Claims (2)
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DE751754C (en) * | 1936-12-24 | 1952-08-21 | Siemens Schuckertwerke A G | Power transmission system for electrically powered trains |
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