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Energieversorgungsanlage, insbesondere für eine Klimaanlage in einem
Reisezugwagen Die Erfindung bezieht sich auf eine Energieversorgungsanlage mit einem
Wechsel- oder Drehstromgenerator, der mit veränderlicher Drehgeschwindigkeit angetrieben
wird. Solche Anlagen kommen vor allem für die Klimatisierung von Reisezugwagen in
Betracht. Hierbei wird die für die Klimaanlage erforderliche Energie vorzugsweise
einer Achse des Wagens entnommen, so daß sich die Drehgeschwindigkeit des Generators
mit der Fahrgeschwindigkeit des Wagens vom Stillstand bis zur Höchstgewindigkeit
ändert. Um eine wirksame Klimatisierung zu erreichen, genügt es angesichts der heute
üblichen kurzen Haltezeiten, die Klimaanlage nur während der Fahrt in Betrieb zu
halten. Der einfachen Wartung wegen ist man bestrebt, für den Antrieb der Klimaanlage
Drehstrommotoren mit Kurzschlußläufern zu verwenden. Hierbei muß dafür gesorgt werden,
daß die Generatorspannung und die Frequenz einander proportional sind, damit bei
der sich ändernden Drehgeschwindigkeit der Drehstrommotoren die magnetische Sättigung
der Motoren konstant bleibt und so ein zu hoher Magnetiserungsstrom vermieden wird.
Hierbei ist zu berücksichtigen, daß je nach dem Grad der Klimatisierung sich die
Belastung des Generators während der Betriebes in weiten Grenzen ändert, so daß
innerhalb des Generators ein Spannungsabfall infolge des induktiven und des ohmschen
Widerstandes und damit eine Änderung des magnetischen Flusses entsteht, wenn dies
nicht durch geeignete Maßnahmen verhindert wird.
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Damit unter Berücksichtigung dieses Sachverhaltes ein einwandfreier
Betrieb einer Energieversorgungsanlage der eingangs erwähnten Art ermöglicht wird,
ist gemäß dem Hauptpatent vorgeschlagen worden, daß bei Anwendung einer die Erregung
des Generators beeinflussenden Drossel mit über einen großen Frequenzbereich im
wesentlichen gleichbleibender Induktivität ein dieser Drossel nachgeschalteter Gleichrichter
an eine Vergleichseinrichtung angeschlossen wird, mittels deren der durch die Erregerwicklung
des Generators fließende Strom nach Maßgabe des durch die Drossel und den Gleichrichter
fließenden Stromes und einer Vergleichsgröße derart beeinflußt wird, daß bei einem
Absinken der Klemmenspannung des Generators unter den der jeweiligen Frequenz proportionalen
Wert die Erregung des Generators verstärkt wird, und umgekehrt. Dabei ist auch schon
vorgesehen, daß zur Regelung des Erregerstromes die Differenz zwischen einer die
Vergleichsgröße bildenden konstanten Spannung und dem Spannungsabfall ausgenutzt
ist, der in einem an den Gleichrichter angeschlossenen Widerstand nach Maßgabe der
Abweichung der Klemmenspannung des Generators von dem der jeweiligen Frequenz proportionalen
Wert auftritt.
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Die Erfindung betrifft eine weitere Ausführungsmöglichkeit für die
den Gegenstand des Hauptpatentes bildende Erfindung mit dem Zweck, eine besonders
feinfühlige Steuerung zur Erzielung eines Verhältnisses zwischen Generatorspannung
und Frequenz zu ermöglichen, das nur innerhalb sehr kleiner Toleranzen liegt. Dies
wird in erster Linie dadurch erreicht, daß die konstante Spannung, welche die Vergleichsgröße
zu dem Spannungsabfall an dem die Vergleichseinrichtung bildenden Widerstand ergibt,
durch die Sperrspannung einer Zenerdiode gebildet wird, die parallel zu dem Widerstand
an den erwähnten Gleichrichter (Regelgleichrichter) geschaltet ist, und daß die
Differenz zwischen dem Spannungsabfall an dem Widerstand und der Sperrspannung der
Zenerdiode zur Steuerung eines gesteuerten Gleichrichters (Vierschichttriode) verwendet
wird, der in einem von einem Erregergleichrichter gespeisten Stromkreis parallel
zu der Erregerwicklung oder in Reihe mit dieser geschaltet ist.
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Die Erfindung bringt den weiteren Vorteil, daß man für die Erregerwicklung
nicht eine Fremdstromquelle, z. B. eine Batterie, benötigt. Es ist nämlich
gemäß
der Erfindung möglich, daß der Erregergleichrichter über eine weitere Drossel mit
über einem großen Frequenzbereich im wesentlichen konstant bleibender Induktivität
sowie gegebenenfalls über einen: Transformator an die Generatorklemmen angeschlossen
wird.
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In der Zeichnung sind in Fig. 1 und 2 zwei Schaltbilder für verschiedene
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
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Bei der Schaltung nach Fig. 1 speist ein Drehstromgenerator 1 über
Leitungen 2 einen Asynchron-Drehstrommotor 3, dessen Läufer eine Kurzschlußwicklung
hat. Der Generator 1 hat zwei Erregerwicklungen 4 und 5, von denen die erste die
erfindungsgemäß geregelte Grunderregung liefert, während die Wicklung 5 zur Kompoundierung
dient.
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Die Kompoundwicklung 5 bildet zusammen mit dem Gleichrichter 6, an
den sie angeschlossen ist, einen Sternpunkt der Generatorwicklung. Daher ist der
in der Kompoundwicklung 5 fließende Strom proportional dem Belastungsstrom. Der
durch den Belastungsstrom bedingte induktive Spannungsabfall im Generator ist frequenzabhängig
und wird unabhängig von der Drehgeschwindigkeit des Generators durch die Kompoundwicklung
5 kompensiert, da sich die Wirkung der Kompoundwicklung ebenfalls proportional zur
Drehgeschwindigkeit des Generators ändert.
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Die Erregerwicklung 4 ist an einen Gleichrichter 7 (Erregergleichrichter)
angeschlossen, der über einen Isoliertransformator 8 einphasig an die Generatorklemmen
angeschlossen ist. In die Verbindungsleitung 9 zwischen dem Transformator 8 und
dem Gleichrichter 7 ist eine Drossel 10 eingeschaltet, die über einen großen Frequenzbereich
eine nahezu konstante Induktivität hat. Vorzugsweise ist es eine Luftspaltdrossel.
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Parallel zu der Erregerwicklung 4 ist ein gesteuerter Gleichrichter
11 geschaltet. Es handelt sich um eine Vierschichttriode mit dem Schichtenaufbau
P-N-P-N, deren Anoden mit dem Minuspol dieses Gleichrichters verbunden sind. Zur
Steuerung des Gleichrichters 11 ist folgende Schaltung vorgesehen: An die
drei Phasenleitungen 2 des Generators 1 ist ein Gleichrichter (Regelgleichrichter)
12 unter Vermittelung dreier Drosseln 13 angeschlossen, die eine über einen großen
Frequenzbereich konstante Induktivität haben und vorzugsweise als Luftspaltdrosseln
ausgebildet sind. Gleichstromseitig ist an den Regelgleichrichter 12 ein ohmscher
Widerstand 14 angeschlossen, dessen Widerstandswert im Vergleich zu der Induktivität
der Drossel 13 verhältnismäßig klein ist. Parallel zu dem Widerstand 14 liegen ein
ohmscher Widerstand 16a und eine Zenerdiode 15, deren Kathode mit dem Minuspol des
Regelgleichrichters 12 verbunden ist. Die Anode der Zenerdiode 15 ist durch eine
Leitung 16 mit der Kathode des gesteuerten Gleichrichters 11 verbunden. Der Widerstand
14 ist als Potentiometer ausgebildet. Von dessen Schiebekontakt 17 ist eine Leitung
18 zu der Steuerelektrode des gesteuerten Gleichrichters 11 geführt.
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Solange das Verhältnis zwischen der Klemmenspannung am Generator 1
und der Frequenz konstant ist, ist der durch den Regelgleichrichter 12 fließende
Strom unveränderlich, da der ohmsche Widerstandswert des zugehörigen Stromkreises
im Vergleich zu dem induktiven Widerstand der Drosseln 13 vernachlässigt werden
kann. Alsdann wird unter Vermittlung des gesteuerten Gleichrichters 11 erreicht,
daß durch die Erregerwicklung 4 ein praktisch konstanter Strom fließt, wie er zur
Erzeugung der Grunderregung des Generators 1 benötigt wird. Dieser Zustand wird
durch eine Impulssteuerung aufrechtzuerhalten, die in der folgenden Weise wirkt:
Wenn der Spannungsabfall an dem Widerstand 14 zwischen dem Schiebekontakt 17 und
dem Minuspol des Regelgleichrichters 12 die in dem betreffenden Bereich konstante
Sperrspannung der Zenerdiode 15 in einem bestimmten Ausmaß überwiegt, so daß das
Spannungsgefälle zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des gesteuerten Gleichrichters
11 die Schwellspannung dieses Gleichrichters überschreitet, ist der Widerstand des
gesteuerten Gleichrichters 11 nahezu gleich Null. Die Erregerwicklung 4 ist sonach
kurzgeschlossen, und der durch sie fließende Erregerstrom und damit die elektromotorische
Kraft des Generators 1 klingen nach einer e-Funktion ab. Das hiermit verbundene
kurzzeitige Absinken der Klemmenspannung bewirkt eine entsprechende Verminderung
des durch den Regelgleichrichter 12 fließenden Stromes, so daß der Spannungsabfall
an dem Widerstand 14 zwischen dem Schiebekontakt 17 und dem Minuspol des Regelgleichrichters
12 kleiner wird als die Sperrspannung der Zenerdiode 15. Demzufolge herrscht zwischen
der Steuerelektrode und der Elektrode des gesteuerten Gleichrichters 11
nicht
mehr ein die Schwellspannung übersteigendes Spannungsgefälle. Das hat zur Folge,
daß der Widerstand des gesteuerten Gleichrichters 11 plötzlich nahezu unendlich
groß ist, wenn die Voraussetzung erfüllt ist, daß vorher die Spannung am Erregergleichrichter
7 vorübergehend zu Null geworden ist. Diese Voraussetzung ist erfüllt, da der Gleichlichter
an eine einphasige Wechselspannung angeschlossen ist und folglich seine Gleichspannung
zwischen Null und einem Höchstwert pulsiert. Es wird also augenblicklich der Kurzschluß
der Erregerwicklung 4 aufgehoben. Dementsprechend steigt der Erregerstrom und damit
die elektromotorische Kraft des Generators wieder nach einer e-Funktion an. Sonach
pendelt die Stärke des durch die Wicklung 4 fließenden Erregerstromes ständig zwischen
je einem Wert oberhalb bzw. unterhalb eines Mittelwertes auf und ab. Dies bedeutet
im Endergebnis, daß im Mittel ein im wesentlichen konstanter Erregerstrom aufrechterhalten
wird.
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Wenn sich nun die Belastung des Generators 1, etwa durch Zuschalten
eines weiteren Motors 3, plötzlich erhöht, sorgt einerseits die Kompounderregerwicklung
5 dafür, daß von vornherein kein allzu großer Spannungseinbruch auftritt. Darüber
hinaus wird durch den beschriebenen, die Grunderregung beeinflussenden Steuerkreis
erreicht, daß das Verhältnis zwischen der Klemmenspannung des Generators und der
Frequenz unabhängig von der plötzlichen Erhöhung der Belastung nahezu unverändert
bleibt.
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Durch das Zuschalten der Belastung sinkt nämlich der durch den Regelgleichrichter
12 fließende Strom, so daß der Spannungsabfall in dem Widerstand 14 zwischen dem
Schiebekontakt 17 und dem Minuspol des Regelgleichrichters 12 die Sperrspannung
der Zenerdiode 15 beträchtlich unterschreitet. Hierdurch wird der Widerstand des
gesteuerten Gleichrichters
11 nahezu unendlich groß, und es fließt
durch die Erregerwicklung 4 ständig der größtmögliche Erregerstrom, wie er der am
Erregergleichrichter 7 herrschenden Spannung entspricht. Dieser Strom ist mindestens
so groß wie der resultierende Erregerstrom, der sich vorher durch das erwähnte Pendeln
infolge des ständigen öffnens und Schließens des gesteuerten Gleichrichters 11 ergeben
hatte. Es wird also die volle Grunderregung trotz vorübergehender Verminderung der
Klemmenspannung aufrechterhalten, so daß dem Absinken der Klemmenspannung entgegengewirkt
wird. Durch diese Steuerung wird das Verhältnis zwischen der Klemmenspannung und
der Frequenz innerhalb sehr kleiner Spannungstoleranzen von etwa ± 1'% konstant
gehalten.
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Wenn beispielsweise infolge Abschaltens eines Motors die Klemmenspannung
die Tendenz hat, sprunghaft anzusteigen, wird dem durch die beschriebene Steuerung
entgegengewirkt, da der Spannungsabfall in dem Widerstand 14 zwischen dem Schiebekontakt
17 und dem Minuspol des Gleichrichters 12 die Sperrspannung der Zenerdiode 15 überwiegt
und so die Schwellspannung an dem gesteuerten Gleichrichter 11 überschritten wird.
Hierdurch wird die Erregerwicklung 4 kurzgeschlossen und die Erregung des Generators
entsprechend vermindert, so daß dem Ansteigen der Klemmenspannung augenblicklich
entgegengewirkt wird.
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Die Schaltung nach Fig. 2 unterscheidet sich von der nach Fig. 1 dadurch,
daß der gesteuerte Gleichrichter 11 nicht parallel zur Erregerwicklung, sondern
in Reihe mit dieser geschaltet ist. Ferner ist die Anode der Zenerdiode 15 nicht
mit der Kathode, sondern über eine Leitung 19 mit der Steuerelektrode des gesteuerten
Gleichrichters verbunden, während der Schiebekontakt 1.7 des Widerstandes 14 über
eine Leitung 20 an die Kathode des gesteuerten Gleichrichters angeschlossen ist.
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Wenn bei dieser Schaltung die Klemmenspannung des Generators 1. etwa
infolge der Zuschaltung eines Motors abzusinken droht, vermindert sich der Spannungsabfall
in dem Widerstand 14 zwischen dem Schiebekontakt 17 und dem Minuspol des Regelgleichrichters
12 so, daß er erheblich kleiner wird als die Sperrspannung der Zenerdiode 15 und
das Steuergefälle zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des gesteuerten Gleichrichters
11 größer wird als die Schwellspannung. Dann fließt der volle Erregerstrom durch
die Wicklung 4, wodurch augenblicklich dem Absinken der Klemmenspannung entgegengewirkt
wirkt. Wenn die Klemmenspannung des Generators die Tendenz zum Steigen hat, wird
das Spannungsgefälle zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des gesteuerten
Gleichrichters 11 entsprechend dem zunehmenden Spannungsabfall am Widerstand 14
kleiner als die Schwellspannung, so daß der Stromkreis, in dem sich der gesteuerte
Gleichrichter und die Erregerwicklung 4 befinden, plötzlich unterbrochen wird. Damit
hierbei die Wicklung 4 gegen überspannungen geschützt wird, ist parallel zu ihr
eine Gleichrichterdiode 21 geschaltet.