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Einrichtung zur selbsttätig gesteuerten Belastung von Kraftmaschinen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur selbsttätig gesteuerten Belastung von
Kraftmaschinen, insbesondere Verbrennungskraftmaschinen, unter Verwendung einer
Induktionsbremse, bei der mit wachsender Nutzlast der Kraftmaschine das die Bremswirkung
erzeugende Magnetfeld durch Speisung einer Erregerwicklung der Bremse mit einem
von der Nutzlast abhängigen Strom geschwächt wird.
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Für manche Arten von Kraftmaschinen, beispielsweise für Verbrennungskraftmaschinen,
insbesondere Zweitaktmotoren, ist bekanntlich ein Dauerbetrieb im Leerlauf oder
bei sehr kleiner Belastung ungünstig. Bei Verbrennungskraftmaschinen besteht z.
B. die Gefahr einer beschleunigten Verrußung bzw. Verkokung von Zündkerzen und Einspritzdüsen;
Zweitaktmaschinen pflegen unterhalb einer gewissen Belastung in einen unerwünschten
und schädlichen Viertaktbetrieb zu geraten, und außerdem kann infolge unregelmäßig
und labil verlaufender Drehmomentbildung auch deren Drehzahlregelung mangelhaft
werden. Um solche Erscheinungen auszuschalten, wurde bereits vorgeschlagen, den
schädlichen Leerlauf durch eine besondere Vorbelastung zu vermeiden, die zweckmäßig
von einer gewissen Nutzbelastung aufwärts außer Betrieb zu setzen ist. Bei Stromerzeugeraggregaten
ist die Möglichkeit einer solchen Vorbelastung durch entsprechende Belastung des
Generators zwar gegeben, doch erfordert diese Maßnahme einen beträchtlichen Aufwand
-Belastungswiderstände, Schalter, Relais -, besonders wenn die Abschaltung ,der
Vorbelastung bei ausreichender Nutzlast bzw. die Einschaltung bei Unterschreitung
einer gewissen Nutzlast selbsttätig erfolgen soll. Außerdem ist eine .derartige
Belastung an die Betriebsfähigkeit des Generators gebunden.
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Es ist bereits eine Einrichtung der eingangs angeführten Art zur Konstanthaltung
der Drehzahl von Reihenschlußmotoren bekannt, bei der mit Hilfe einer Wirbelstrombremse
die Belastung des Motors selbsttätig auf einen konstanten Wert gesteuert wird. Das
wird dadurch erreicht, daß der Motor und die parallel dazu geschaltete Erregerspule
der Wirbelstrombremse über einen gemeinsamen Widerstand derart an das Netz angeschlossen
sind, daß bei wachsendem Motorstrom der Strom in der Erregerspule der Bremse entsprechend
sinkt. Eine derartige Einrichtung erhöht bei belastetem Motor die Verluste beträchtlich
und ist zur Belastung anderer Kraftmaschinen, insbesondere Verbrennungskraftmaschinen,
zur Erfüllung der obigen Erfordernisse nicht geeignet, da die bekannte Schaltungsanordnung
sich im generatorischen Betrieb völlig anders verhält. Es ist auch bereits bekannt,
die Erregung einer einen elektromotorischen Antrieb belastenden Wirbelstrombremse
vom Strom des Antriebsmotors zu liefern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung einer Induktionsbremse,
bei der mit wachsender Nutzlast das die Bremswirkung herbeiführende Magnetfeld geschwächt
wird, eine einfache, universelle Einrichtung zur selbsttätig gesteuerten Belastung
von Kraftmaschinen, insbesondere Verbrennungskraftmaschinen, zu schaffen. Diese
Aufgabe wird bei der oben vorausgesetzten Einrichtung gemäß der Erfindung dadurch
gelöst, daß die Bremse eine Sperrwicklung aufweist, die bei Erregung durch einen
mit der Nutzlast wachsenden Strom ein Magnetfeld aufbaut, welches das die Bremswirkung
hervorrufende Nutzmagnetfeld durch magnetische Sättigung der Polschuhe des Bremsmagneten
zunehmend schwächt und von einer vorbestimmten Stromstärke bzw. zugeordneten Nutzlast
aufwärts durch Verdrängen des gesamten Magnetflusses auf Streupfade völlig sperrt.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß das
die Bremswirkung hervorrufende Magnetfeld, wie an sich bekannt, durch mindestens
einen Permanentmagneten erzeugt wird. Bei anderen Varianten ist eine zumindest teilweise
elektrische Erregung des Bremsfeldes z. B. durch die Klemmenspannung oder den Erregerstrom
eines von der Kraftmaschine angetriebenen Generators vorgesehen.
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Eine sehr günstige und in der praktischen Ausführung besonders bedeutungsvolle
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung wird dadurch erzielt, daß zur Schwächung
des Nutzbremsfeldes der mit der Belastung zunehmende Erregerstrom eines von der
Kraftmaschine angetriebenen Generators oder der Generatorstrom selbst herangezogen
wird. Besonders die letztgenannte Variante zeichnet sich bei
permanentmagnetischer
Erzeugung des Bremsfeldes durch vollkommene Betriebssicherheit aus, indem bei Entlastung
des Generators die Bremswirkung zwangläufig und unverzüglich eintreten muß. Diese
Eigenschaften gestatten unter anderem auch eine Anwendung der Erfindung, um bei
Lastabwurf eines beliebig angetriebenen Generators ein Durchgehen desselben bei
Versagen oder zu großer Ansprechzeit des Drehzahlreglers mit Sicherheit zu verhindern.
Die Zeichnung zeigt in F i g. 1 ein Schaltungsbeispiel für eine erfindungsgemäße
Einrichtung, F i g. 2 .das Schema eines an sich bekannten sogenannten Sperrmagneten,
dessen Feld auf ein Schwungrad der Kraftmaschine wirkt, F i g. 3 die Darstellung
des durch die erfindungsgemäße Einrichtung erzielte Verlaufs der Gesamtbelastung
über der durch den angetriebenen Generator erfolgenden Nutzbelastung der Kraftmaschine.
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In F i g. 1 stellt l eine Kraftmaschine dar, die mit einem Schwungrad
2 versehen ist und einen Wechselstromgenerator 3 antreibt, der die elektrische Leistung
an den Klemmen R und S abgibt. Die Erregerwicklung 4 dieses Generators wird über
die Klemmen I und K mit Gleichstrom gespeist. Bei der hier gezeigten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einrichtung wird mittels eines Stromwandlers 5 ein dem Generatorstrom
verhältnisgleicher Strom gewonnen, in einem Gleichrichter 6 gleichgerichtet und
der Sperrwicklung 7 eines Bremsmagneten 8 zugeführt. Das Nutzmagnetfeld dieses Magneten
wirkt normalerweise auf den Kranz des Schwungrades 2 und induziert dort Ströme,
die ein Bremsmoment hervorrufen. Bei Beeinflussung dieses Bremsmagnetfeldes durch
-das Feld der Wicklung 7 nimmt mit zunehmendem Strom in dieser Wicklung auch die
im Poleisen des Magneten 8 hervorgerufene Sättigung zu, wodurch das auf den Schwungradkranz
wirkende Bremsfeld - und damit auch das Bremsmoment -immer schwächer wird und von
einer gewissen Durchflutung der Sperrwicklung 7 aufwärts ganz verschwindet.
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Der Stromwandler 5 kann unter Umständen vermieden, also der vom Generator
abgegebene Strom nach Gleichrichtung unmittelbar zur Speisung der Sperrwicklung
7 herangezogen werden. Wenn es sich um einen Gleichstromgenerator handelt, kommt
naturgemäß auch der Gleichrichter selbst in Wegfall.
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Ferner kann, da der die Wicklung 4 durchfließende Erregerstrom mit
der Generatorbelastung ansteigt, erfindungsgemäß auch dieser oder die ihn erzeugende
Spannung zur Beaufschlagung der Sperrwicklung 7 des Bremsmagneten 8 verwendet werden.
Handelt es sich .dabei um Synchrongeneratoren, deren Erregung mit Gleichstrom erfolgt,
so ergibt sich der Vorteil, daß Stromwandler 5 und Gleichrichter 6 eingespart werden.
Der Sperrmagnet ist in diesem Fall so auszulegen, daß die der Leerlauferregung des
Generators zugeordnete Durchflutung der Sperrwicklung 7 noch keine Schwächung des
Nutzbremsfeldes hervorruft, vielmehr eine solche erst bei höheren, sich bei Generatorbelastung
ergebenden Durchflutungen einsetzt. Bei Generatoren, bei .denen die Erregung durch
Überlagerung von zwei getrennten Komponenten, nämlich einer Grunderregung (Leerlauferregung)
und einer lastabhängigen Zusatzerregung gebildet wird, kann die Sperrwicklung 7
mit der zweitgenannten Komponente allein gespeist sein. Bei Wechselstromgeneratoren,
die mit veränderlichem Leistungsfaktor arbeiten, ist bekanntlich weder der Belastungsstrom
noch der Erregerstrom für sich allein ein Maß für die abgegebene Wirkleistung. Beispielsweise
sinkt bei festgehaltenem Belastungsstrom die Wirkleistung mit dem cos T, während
der Erregerstrom gleichzeitig ansteigt. Um auch in solchen Fällen eine befriedigende
Zuordnung der Bremsfeldschwächung bzw. -sperrung des Magneten 8 zu der vom Generator
aufgenommenen Leistung zu erzielen, wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung
vorgeschlagen, die Sperrdurchflutung (in Fig.1 durch Wicklung 7 erzeugt) als Differenz
aus einer vom Laststrom hervorgerufenen Durchflutung und einer von der Erregung
des Generators abgeleiteten Gegendurchflutung zu gewinnen. Eine solche Sperrdurchflutung
kann in einem beträchtlichen cos (p-Bereich mit einer für den vorliegenden Zweck
ausreichenden Genauigkeit der Wirkleistung allein - mit ihr gleichsinnig veränderlich
- zugeordnet sein. Zur Erzielung dieses Effekts wird die Wicklung 7 des Sperrmagneten
(F i g. 1) durch zwei gegensinnig wirkende Wicklungen ersetzt, wobei die Speisung
der einen vom Laststrom und die der anderen von der Erregung des Generators abgeleitet
ist. Es kann die gleiche Wirkung aber auch mit einer einzigen Wicklung erzielt werden,
in der mittels einer an sich bekannten Schaltung zwei Stromkomponenten gegensinnig
überlagert sind.
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F i g. 2 stellt eine für die erfindungsgemäße Einrichtung geeignete
Bauart des Bremsmagneten dar, die für Magneten an sich bereits bekannt ist, jedoch
noch nicht für Bremsen herangezogen wurde. Der Permanentmagnet 9 ist mit den beiden
Polstücken 10 und 11 versehen, die über Polschuhe auf den vorbeirotierenden Schwungkranz
12 wirken. Der diesen Kranz durchsetzende, also das Bremsfeld bildende Teil des
Magnetflusses ist durch voll gezeichnete Pfeile angedeutet, während die strichpunktierten
Pfeile dem Streufluß entsprechen, der von einem Polstück zum anderen verläuft. Da
dieser Streufluß im Hinblick auf die Stabilität und Ausnutzung des Magneten 9 nicht
zu klein sein darf, ist seine Ausbildung durch einen teilweise entsprechend kleinen
Abstand der Polstücke 10 und 11 begünstigt. Die Enden der Polstücke sind mit Öffnungen
versehen, durch die die Sperrwicklung 7 gezogen ist. Wenn diese Wicklung Strom führt,
so erzeugt sie die durch gestrichelte Pfeile angedeuteten, innerhalb der Polstücke
verlaufenden Magnetflüsse, die sich auf einem Teil ihres Weges dem Nutzmagnetfluß
überlagern. Es ergibt sich dabei .eine mit der Durchflutung wachsende magnetische
Sättigung, wodurch der auf den Schwungradkranz wirkende Nutzmagnetfluß immer mehr
geschwächt wird und schließlich ganz verschwindet. Der gesamte Fluß des Permanentmagneten
ist dann auf Streupfade abgedrängt, wie sie in F i g. 2 durch strichpunktierte Pfeile
angedeutet sind. Ein weiteres Anwachsen der sperrenden Durchflutung ergibt keine
zusätzliche Wirkung, d. h., das Bremsfeld bleibt gesperrt und wird erst wiederaufgebaut,
wenn der die Sperrwicklung 7 durchfließende Strom entsprechend gesunken ist.
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Als Ersatz oder zur Ergänzung des Permanentmagneten 9 kann eine elektrische
Erregung des Bremsfeldes vorgesehen werden, die von einer beliebigen Stromquelle,
z. B. dem angetriebenen Generator oder seinem Erregerkreis, gespeist wird.
An
Stelle eines Schwungrades einer Kraftmaschine, dessen Ausnutzung als Wirbelstrombremskörper
an sich bekannt ist, kann auch ein sonstiger, primär anderen Zwecken dienender elektrisch
leitender, metallener, insbesondere eiserner, rotierender Teil der Kraftmaschine,
z. B. ein Kupplungsteil, als induzierter Teil der Bremse zusätzlich nutzbar gemacht
sein. Dies begünstigt eine vorteilhafte konstruktive Vereinigung der Induktionsbremse
mit der Kraftmaschine. Es ist jedoch auch möglich, die erfindungsgemäße Einrichtung
mit einem von der Kraftmaschine angetriebenen Generator konstruktiv zu vereinigen.
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Es wird ferner vorgeschlagen, fallweise den aus massivem Eisen bestehenden
induzierten Teil der Bremse zur Erzielung eines geometrisch definierten Verlaufs
der Magnetflüsse und Ströme in an sich bekannter Weise mit Nuten zu versehen.
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Schließlich wird im Rahmen der Erfindung auch auf die Möglichkeit
hingewiesen, .den induzierten Teil der Bremse in an sich bekannter Weise mit einem
vorzugsweise gegossenen Kurzschlußkäfig auszustatten.
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In F i g. 3 ist ein Verlauf der von der Kraftmaschine abgegebenen
Gesamtleistung PM und ihrer Komponenten Pv (Vorbelastung, gestrichelte Linie) und
PG (vom Generator aufgenommene Leistung, voll gezeichnete dünne Linie) über der
letzteren dargestellt, wobei die Leistungen in Prozenten der Volllast angegeben
sind. Bei leerlaufendem Generator (PG = 0, Generatorverluste vernachlässigt) beträgt
die Vorbelastung beispielsweise 25 % der vom vollbelasteten Generator aufgenommenen
Leistung und sinkt mit Hilfe der erfindungsgemäßen Einrichtung mit zunehmender Generatorleistung
ab - es wurde hier ein linearer Verlauf angenommen -, um von PGO = 25% aufwärts
zu verschwinden. Die von der Kraftmaschine abgegebene Leistung PM nimmt den dick
ausgezogenen Verlauf, der zeigt, daß PM in keinem Betriebszustand unter 25 % sinken
kann, wobei jedoch stets nur das zur Erzielung dieses Effekts nötige Leistungsminium
Pv durch die Vorlastbremse abgeführt wird.