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Einrichtung zur Feldschwächung von mit Gleichstrom konstanter oder
beliebig veränderlicher Spannung gespeisten Reihenschluß-Fahrmotoren elektrischer
Triebfahrzeuge Bei Gleichstrom-Reihenschluß-Fahrmotoren für elektrische Triebfahrzeuge
ist es häufig erforderlich, eine zusätzliche Feldschwächung vorzunehmen, um bei
gegebener Fahrdrahtspannung im oberen Drehzahlbereich eine ausreichende Leistung
zu erzielen. Wenn diese Feldschwächung durch Anzapfungen der Feldwicklung oder durch
Parallelwiderstände bewirkt wird, ist die erreichbare Stufenzahl meist mit Rücksicht
auf die Schaltgeräte beschränkt. Es stehen dann mehrere Kennlinien für den Arbeitskraftfluß
als Funktion des Ankerstromes zur Verfügung, wie in Fig. 1 der Zeichnung veranschaulicht
ist. Von diesen Kennlinien sollen aber immer nur einzelne Teile, z. B. die in Fig.
1 stark ausgezogenen Abschnitte, benutzt werden. Die Einhaltung dieser Grenzen,
d. h. die richtige Auswahl der jeweils günstigsten Erregungsstufe, bleibt meist
der Geschicklichkeit und Aufmerksamkeit des Triebfahrzeugführers überlassen.
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Es steht außer Zweifel, daß eine eindeutige Kennlinie für den Arbeitskraftfluß
als Funktion des Ankerstromes, die im Bereich größerer Ankerströme nur volle Erregung
zuläßt und bei einem bestimmten -- nötigenfalls auch willkürlich einstellbaren -Wert
des Ankerstromes von der Kurve für volle Erregung nach unten abbiegt, betriebliche
Vorteile bietet.
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Eine Schar solcher Idealkennlinien zeigt Fig.2. Wenn auch vom Bedienungsorgan
aus die Ankerstromstärke, bei der die Feldschwächung einsetzt, innerhalb der durch
die beiden äußersten Kennlinien gegebenen Grenzen beliebig eingestellt werden kann,
so wirkt sich diese Einstellung doch stets nur im Bereich kleinerer Ankerströme
aus. Es ist auf diese Weise ausgeschlossen, daß durch Unachtsamkeit des Triebfahrzeugführers
bei größeren Ankerströmen eine zu geringe Felderregung eingestellt und der Ankerstromkreis
thermisch unnötig überlastet wird.
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Als Weg zur Erzielung solcher Kennlinien wurde die Verwendung von
Fahrmotoren der Metadynebauart angegeben. Auch wurden für Fahrmotoren der üblichen
Bauart Schaltungen angegeben, die die Schwächung der Fahrmotorerregung vom Erregungszustand
des die Fahrmotoren speisenden Generators ableiten.
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Für Triebfahrzeuge mit elektrischer übertragung der Leistung mitgeführter
Kraftmaschinen, insbesondere Verbrennungsmotoren, ist auch eine selbsttätige Steuerung
bekanntgeworden, bei der die Regelung der Feldschwächung der Fahrmotoren selbsttätig
in Abhängigkeit vom Fahrmotorstrom erfolgt. Die Feldschwächung der Fahrmotoren wird
hierbei gleichseitig abhängig von der Geschwindigkeit des Triebfahrzeuges geregelt.
Dies geschieht unter Zuhilfenahme einer Tachometermaschine, die eine zusätzliche
Erregung liefert. Bei dieser bekannten Einrichtung handelt es sich um die Aufgabe,
die verfügbare Leistung eines Dieselmotors bis zu hoher Geschwindigkeit des Triebfahrzeuges
voll auszunutzen, ohne die Generatorspannung so stark erhöhen zu müssen, wie dies
bei reiner Reihenschlußerregung der Fahrmotoren notwendig wäre. Die Feldschwächung
erfolgt stetig über den ganzen Fahrbereich nach einer angenähert linearen Funktion.
Daraus folgt, daß die Feldschwächung schon bei Fahrmotordrehzahlen einsetzt, die
auch mit ungeschwächter Erregung und mit entsprechend niedrigerem Ankerstrom zu
erreichen wären.
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Ferner ist eine Schaltung für an ein Wechselstromnetz über Stromrichter
angeschlossene Kommutator-Fahrmotoren bekanntgeworden. Der dem Fahrdraht entnommene
Wechselstrom wird in Gleichstrom konstanter Stromstärke umgewandelt. Die Anker der
Fahrmotoren werden - zumindest im Anfahrbereich - mit diesem konstanten Gleichstrom
gespeist. Das Fahrmotorfeld kann willkürlich je nach Größe des geforderten Drehmomentes
eingestellt werden.
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Feldschwächung von mit
Gleichstrom konstanter oder beliebig veränderlicher Spannung gespeisten Reihenschluß-Fahrmotoren
elektrischer Triebfahrzeuge mit einer Reihenschlußfeldwicklung und mit einer fremderregten
Feldwicklung, die von einer für mehrere Fahrmotoren gemeinsamen Erregermaschine
gespeist wird. Nach der Erfindung ist die Anordnung so getroffen, daß die Fremderregung
der Fahrmotoren je nach der Höhe ihres Ankersummenstromes bzw. je nach der Größe
einer nur von diesem Strom bestimmten
physikalischen Größe die
Wirkung der Reihenschlußfeldwicklung entweder unterstützt oder schwächt und daß
der Übergang von positiver zu negativer Fremderregung nach Art einer Schwellwertfunktion
auf ein enges Intervall des Fahrmotor-Ankerstromes zusammengedrängt ist. Dadurch
wird ein sprunghafter Übergang von voller Erregung auf Feldschwächung geschaffen,
der es gestattet, bis zu größeren Fahrmotordrehzahlen mit vollem Feld und mit demgemäß
kleinerer thermischer Belastung des Ankerstromkreises zu fahren.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele für Einrichtungen nach
der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar dienen die Kennliniendarstellungen
der Fig. 1, 2 und 4 bis 6 zur Erläuterung der Wirkungsweise der Einrichtungen, für
die die Fig. 3 und 7 die verschiedenen Schaltungsmöglichkeiten zeigen.
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Eine grundsätzliche Schaltungsanordnung nach dem Erfindungsgedanken
zeigt' Fig. 3. Den beiden Ankern 1 a und 1 b der Fahrmotoren einer zweimotorig angenommenen
Ausrüstung eines elektrischen Triebfahrzeuges sind je eine vom Ankerstrom des betreffenden
Fahrmotors erregte Reihenschlußfeldwicklung2a und 2b und je eine fremderregte Feldwicklung3a
und 3 b zugeordnet. Die beiden letzteren können, wie dargestellt, miteinander in-Reihe
geschaltet sein. Sie werden von dem Anker 4 einer Erregermaschine gespeist, die
durch die Feldwicklung 5 über ihr Sättigungsknie hinaus im negativen Sinne vorerregt
werden kann. Die Höhe dieser Vorerregung wird durch einen einstellbaren Widerstand
8 bestimmt, der vom Bedienungsgerät, vorzugsweise vom Fahrschalter aus, verändert
werden kann. Zur Speisung der -Feldwicklung 5 dient eine Stromquelle konstanter
Gleichspannung, z. B. eine Batterie 9. Die vom Ankersummenstrom J der Fahrmotoren
erregte Feldwicklung 6 wirkt der konstanten Erregung durch die Feldwicklung 5 entgegen,
was durch eingezeichnete Pfeile angedeutet ist. Unter dem Einfluß dieser beiden
Erregungen möge die von der Erregermaschine gelieferte Spannung je nach Einstellung
des Widerstandes 8 nach einer der in Fig.4 dargestellten Kennlinien d bis e für
Uf= f (J) verlaufen. Durch Anordnung einer zusätzlichen, im Ankerstromkreis
der Erregermaschine liegenden Reihenschlußfeldwicklung 7 kann der Anstieg der Kennlinien
für Uf= f (J)
steiler gemacht werden, bzw. es kann die für die Feldwicklungen
5 und 6 nötige Leistung verringert werden. Dieselbe Wirkung kann statt durch die
beispielsweise dargestellte Reihenschlußfeldwicklung 7 auch durch eine im Nebenschluß
zum Anker 4 der Erregermaschine liegende, knapp unter die Selbsterregungsgrenze
eingestellte Feldwicklung erzielt werden. Die Funktion Uf = f (J) möge- dann
etwa einen Verlauf nehmen, wie er durch die Kennlinien ä bis e' in Fig. 5 dargestellt
ist. In entsprechend geändertem Maßstab stellen diese Kennlinien auch die durch
die Feldwicklungen 3 a und 3 b bewirkte Fahrmotorerregung V3 in Amperewindungen
dar. Die durch die Reihenschlußfeldwicklungen 2a und 2b bewirkte Fahrmotorerregung
h2 ist eine Gerade durch den Nullpunkt des Koordiatensystems und entspricht der
Geraden RS. Unter der Einwirkung der Summe beider Erregungen erhält man Kennlinien
ä' bis e"
für den Arbeitskraftfluß 0 als Funktion des Ankerstromes J, die
in Fig. 6 dargestellt sind.
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Außer durch die Sättigungserscheinungen in einer umlaufenden Maschine
kann die für die Erfindung benötigte sprunghafte Änderung der Fremderregung auch
durch andere Mittel bewirkt werden. Als sehr geeignet hierfür erweisen sich Gleichstromwandler
in geeigneter Anordnung.
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Fig. 7 zeigt ein Beispiel hierfür. Den Ankern 1 a und 1 b der beiden
Fahrmotoren sind wieder je eine Reihenschlußfeldwicklung 2ca und 2b und je eine
fremderregte Feldwicklung 3 a und 3 b zugeordnet. Diese beiden Feldwicklungen werden
von einer Erregermaschine 10 gespeist, die hier als Amplidyne dargestellt ist und
daher einen sehr kleinen Erregerbedarf hat. Die Spannung der Erregermaschine 10
wird durch die Steuerfeldwicklung 11 bestimmt. Diese liegt zwischen den Klemmen
B und D zweier-Widerstände 12 und 13, deren andere Klemmen A und C
miteinander verbunden sind. Der Widerstand 12 liegt über eine Gleichrichteranordnung
14 an einer konstanten Wechselspannung U1- ; die Gleichspannung UAe am Widerstand
12 hat somit einen konstanten Wert, der als unterer Grenzwert gilt. Der Widerstand
13 ist, wie eine gestrichelte Verbindung andeutet, über die Gleichrichteranordnung
15 an den Spannungsabfall in der Wechselstromwicklung 16 eines Gleichstromwandlers
gelegt. Diese Wechselstromwicklung liegt in Reihe mit der Wechselstromwicklung 17
eines weiteren Gleichstromwandlers an einer konstanten Wechselspannung U2,..,. Der
Gleichstromwandler mit der W echselstromwicklung 16 erhält eine konstante Gleichstromvormagnetisierung
durch die Wicklung 18, die über einen vom Bedienungsgerät (z. B. dem Fahrschalter)
aus einstellbaren Widerstand 8 aus einer beliebigen Stromquelle konstanter Gleichspannung,
z. B. einer Batterie 9, gespeist wird. Die Gleichstromwicklung 19 des Gleichstromwandlers
mit der Wechselstromwicklung 17 wird vom Ankersummenstrom J aller Fahrmotoren durchflossen.
Die Gleichspannung UCD am Widerstand 13 steigt daher in einer - je nach den Sättigungsverhältnissen
in den Gleichstromwandlern - linearen oder nichtlinearen Abhängigkeit von dem Ankersummenstrom
J. Durch Veränderung des Widerstandes 8 und damit des Stromes in der Wicklung 18
kann der Wert des Ankersummenstromes J, bei dem die in der Gleichrichteranordnung
15 gleichgerichtete Spannung einen bestimmten kritischen Wert erreicht, willkürlich
eingestellt werden.
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Bei genügend kleinen Werten des Ankersummenstrorn.es J ist die Wechselspannung
an der Gleichrichteranordnung 15 Null. Die konstante Mindestgleichspannung am Widerstand
12 bewirkt dann einen von der Klemme B nach Klemme D gerichteten Strom
-J" in der Steuerfeldwicklung 11, der sich über den Widerstand 13 und die Klemmenverbindung
C-A schließt. Solange die von der Gleichrichteranordnung 15 gelieferte Spannung
kleiner ist als der durch diesen Strom bewirkte Spannungsabfall am Widerstand 13,
bleibt der Strom -J, in der Steuerfeldwicklung 11 konstant und bewirkt, daß die
Erregermaschine 10 einen konstanten feldschwächenden Strom -Jf durch die fremderregten
Fahrmotorfeldwicklungen 3 d und 3 b schickt. Mit steigendem Fahrmotor-Ankersummenstrom
J wächst die Spannung an der Gleichrichteranordnung 15. Übersteigt sie den durch
den von der Gleichrichteranordnung 14 gelieferten Strom -J, bedingten Spannungsabfall
am Widerstand 13, so wird durch diesen ein zusätzlicher Strom aus der Gleichrichteranordnung
15 fließen. Damit nähern sich die Spannungsdifferenz zwischen den Klemmen
B und D
und der negative Strom in der Steuerfeldwicklung 11 dem Wert
Null. Bei weiterem Anstieg der Spannung zwischen den Klemmen C und D wird der Strom
J, in der Steuerfeldwicklung 11 positiv entsprechend dem in Fig. 7 angegebenen Richtungspfeil.
Die Erregermaschine
10 liefert dann einen feldverstärkenden
Strom +Jf an die Fahrmotoren. Wenn der von der Gleichrichteranordnung 15 gelieferte
Strom +J, arn Widerstand 12 einen Spannungsabfall bedingt, der gleich oder größer
ist als die Gleichspannung am Ausgang der Gleichrichteranordnung 14, so hört diese
auf, Strom abzugeben.
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Der Übergang von positiven zu negativen Werten der Ströme 1s und Jf
und umgekehrt kann auf ein bedeutend kleineres Intervall des Fahrmotor-Ankersummenstromes
J zusammengedrängt werden, wenn man den Widerstand 13 nicht so, wie es die gestrichelt
gezeichnete Verbindung angibt, unmittelbar an die Gleichrichteranordnung 15 anschließt,
sondern i;@enn man den von der letzteren abgegebenen Strom noch über zusätzliche
Gleichstromwicklungen 20 und 21 auf den Gleichstromwandlern mit den Wechselstromwicklungen
17 und 16 führt. Wenn der Fahrmotor-Ankersummenstrom J groß genug ist, um eine Stromabgabe
der Gleichrichteranordnung 15 zu bewirken, unterstützt die Gleichstromwicklung 20
die Wirkung der Gleichstromwicklung 19, täuscht also einen noch größeren Fahrmotor-Ankersummenstrom
J vor. Die Gleichstromwicklung 21 auf dem Gleichstromwandler mit der Wechselstromwicklung
16 wirkt der konstanten Erregung durch die Wicklung 18 entgegen, erhöht also weiter
den Spannungsanteil der Wechselstromwicklung 16 an der Gesamtspannung ,. Eine entsprechende
Wirkung kann auch erzielt werden, wenn der von der Gleichrichteranordnung 14 abgegebene
Strom in sinngemäßer Weise über zusätzliche Wicklungen entweder auf einem der beiden
Gleichstromwandler oder auf beiden geführt wird. Desgleichen können gleichzeitig
die Ströme der Gleichrichteranordnungen 14 und 15 zur Verkürzung des Intervalles
für den Fahrmotor-Ankersummenstrom J, innerhalb dessen der Strom IS vom negativen
zum positiven Grenzwert wechselt, herangezogen werden.
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In beiden Schaltbildern der Fig. 3 und 7 sind etwa noch erforderliche
Dämpfungsglieder und Einstellwiderstände als für den Erfindungsgedanken unwesentlich
fortgelassen.