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Einrichtung zum Anlassen, Regeln und Bremsen unter Energierückgabe
von mehreren Gleichstrom-Bahnmotoren mittels Hilfsmaschine. Man hat bekanntlich
schon Gleichstrommotoren dadurch angelassen, daß zwischen dem zu regelnden Motor
und der Stromquelle konstanter Spannung eine Hilfsmaschine eingeschaltet wurde,
deren elektromotorische Kraft stufeiy"veise veränderlich und umkehrbar ist, so daß
sich die Potentialdifferenz, die dem zu regelnden Motor aufgedrückt wird, von null
bis zum Beispiel dem doppelten Betrage der Netzspannung ändern kann. Die Veränderung
und Umkehr dieser elektromotorischen Kraft wurden von Hand durch Regelung und Umkehr
der von der Hilfsdynamomaschine unabhängigen Erregung hervorgerufen.
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Die Erfindung ermöglicht die vollkommen selbsttätige Veränderung der
E.M.K. in allen gewünschten Grenzen und die Umkehr dieser hilfselektromotorischen
Kraft und demzufolge ein selbsttätiges Anlassen des oder der zu regelnden Motoren;
außerdem gestattet sie, die Motoren unter Energierückgewinnung laufen zu lassen,
und zwar bei jeder beliebigen Erregungsart.
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Zur Erläuterung der Erfindung werde die Einrichtung zum Beispiel bei
einem Fahrzeuge mit zwei. Motoren mit Reihenschlußerregung besprochen.
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X (Fig. z) stellt die Speiseleitung mit konstanter Spannung V dar,
G die Erde; M, und M- sind die Bahnmotoren, deren Reihenerregerwicklungen mit in,
und in. bezeichnet sind. R ist die Hilfsmaschine, die als Spannungserhöher oder
-erniedriger wirkt. Diese Hilfsmaschine wird von einer mit konstanter Geschwindigkeit
umlaufenden Maschine angetrieben, die nicht dargestellt ist. S und P sind die Erregerwicklungen
der Hilfsmaschine. Die eine, S, liegt in Reihe mit dein Anker, die andere, P, ist
von den Klemmen des Motors M, abgezweigt. Die beiden Erregungen S und P erzeugen
einander entgegenwirkende Amperewindungen, die zum Beispiel im Sinne der eingetragenen
Pfeile wirken. Mit r ist ein Regelungswiderstand für die Erregung P bezeichnet.
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Die Hilfsmaschine R liegt, wie ersichtlich, zwischen den Bahnmotoren;
diese Anordnung empfiehlt sich wegen der Isolierung der beiden Motoren M, und M@
mit Bezug auf deren Gestell, sie ermöglicht außerdem ohne weiteres eine direkte
Kupplung der Motoren M" M, in Reihe oder parallel zum Netz.
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Es seien zunächst die während des Anla'ssens der Motoren auftretenden
Erscheinungen betrachtet. In diesem Falle ist die Reihenerregung S der Hilfsmaschine
R derart geschaltet, daß in letzterer bei ihrer Drehung eine der Netzspannung V
entgegengesetzte elektromotorische Kraft hervorgerufen wird.
Die
Hilfsmaschine R wird in Gang gesetzt und, wenn sie ihre normale Geschwindigkeit
erreicht hat, wird der Unterbrecher t geschlossen. Es entsteht im Stromkreis 1V11
R,
M2 ein Strom, dessen Stärke durch die Wirkung der Reihenwicklung S begrenzt
ist, und der einen solchen Wert erreicht, daß die Amperewindungen dieser Reihenerregung
in der Hilfsmaschine eine nahezu der Netzspannung V gleichkommende elektromotorische
Kraft .erzeugen. In diesem Augenblick sind die durch die Erregung P erzeugten Amperewindungen
null, da der Motor Ml noch stillsteht, Trotz des Vorhandenseins der Reihenwicklung
S würde doch beim Schließen des Unterbrechers z ein bedeutender Stoß auftreten,
solange die Stärke des Stromes nicht den gewünschten Wert erreicht hat. Es sind
deshalb in diesem Moment besondere Vorsichtsmaßregeln anzuwenden, von denen weiter
unten die Rede sein wird.
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Um das Gesetz der Veränderung des Stromes zu verfolgen, wird auf das
Schema Fig. 3 Bezug genommen, auf welcher die Erregungsamperewindungen der Hilfsmaschine
als Abszissen und die Spannung an den Klemmen dieser Maschine als Ordinaten aufgetragen
sind. In einem anderen Maßstabe stellen die Ordinaten in gleicher Weise die Spannung
an den Klemmen eines der Bahnmotoren dar.
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Die Kurve A-0-A stellt die magnetische Charakteristik der Hilfsmaschine
dar, welche besonders in ihrem nicht gesättigten Teile benutzt wird.
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Die Gerade C-C, stellt die Charakteristik der Nebenschlußerregung
P dar, deren Amperewindungen proportional mit der Spannung an den Klemmen des Motors
M, zunehmen. Die Neigung dieser Geraden zur Ordinatenachse .wird durch den Wert
des Widerstandes r geregelt.
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Beim Beginn des Anlaufes wirkt die Reihenerregung S allein, sie muß
daher den Klemmen der Hilfsmaschine eine Spannung V geben; die Länge C B stellt
den Wert der Amperewindungen dieser Erregung dar. Man berechnet diese Reihenerregung
so, daß der erzeugte Strom dem gewünschten Anlaufstrom der Bahnmotoren entspricht.
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Die Motoren laufen nun an, die Spannung an ihren Klemmen nimmt zu
und die Spannung an den Klemmen der Hilfsmaschine nimmt zuerst ab, wird dann null
und ändert schließlich ihren Sinn.
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Für eine Spannung gleich C T7, (Fig. 3) an den Klemmen
des Motors Ml sind die Amperewindungen der Reihenerregung gleich D, B, und
diejenigen der Erregung P gleich Tal D,; die Resultierende dieser beiden Erregungen
ergibt sich zu V@ B.,. Für eine Spannung gleich C V, an den Klemmen
desselben Motors sind die Amperewindungen der Reihenerregung gleich D, B2, diejenigen
der Erregung P gleich h', D=, und die Resultierende dieser beiden Erregungen ist
V, B-Die Amperewindungen der Reihenerregung S werden also immer dargestellt durch
die Länge einer Geraden, die der Abszissenachse parallel liegt und durch die magnetische
Charakteristik der Hilfsmaschine und die geradeCharakteristik derErregung P begrenzt
wird. Diese Länge kann daher dazu dienen, um den Strom zu messen, der die Bahnmotoren
Ml, M2 durchfließt.
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Wenn man annimmt, daß der Normalstrom, welcher dem der Fortbewegung
des Wagens sich widersetzenden Drehmoment entspricht, in Amperewindungen der Wicklung
S gemessen, zum Beispiel durch: die Länge a1 a. bestimmt ist, so wird eine Beschleunigung
stattfinden, bis die Spannung an den Klemmen der Motoren den Wert C V3 erreicht
hat, der gegeben ist durch den Schnittpunkt der magnetischen Charakteristik mit
einer Parallelen zu C Cl durch den Punkt a,.
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Um das Gesetz der Veränderung des Stromes zu ändern, genügt es, den
Wert des Widerstandes r zu ändern, wobei die Charakteristiken der Erregung P zum
Beispiel C C, C C", C C", werden. Für irgend eine Spannung C h2 an
den Klemmen der Motoren werden die Werte des Stromes, gemessen in Amperewindungen
der Reihenerregung S, zum Beispiel B, D@, B2 D'2, Bz D"2.
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Aus diesen Erläuterungen ergibt sich, daß der Strom bei Beginn des
Anlaufes zuerst immer der gleiche ist, welches auch der Wert des Widerstandes y
sein möge. Gleichwohl könnte man den Wert dieses Stromes ändern, indem man auf die
Reihenerregung S einwirkt, sei es beispielsweise durch Anbringung eines Nebenschlusses,
sei es durch Ausschaltung von Windungen.
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Oben ist angegeben worden, daß zur Vermeidung eines Stoßes beim Anlassen
gewisse Vorsichtsmaßregeln anzuwenden seien. Beispielsweise besteht ein Mittel -für
die allmähliche Entstehung des Anlaufstromes im folgenden: Es sei vorausgesetzt,
daß die Motoren M, und M. stillstehen, daß der Unterbrecher a offen ist und die
Hilfsmaschine mit ihrer normalen Geschwindigkeit umläuft.
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Man verbindet die Klemme b der Erregung P mit dem Punkt c, so daß
man also die- Schaltung gemäß Fig. z erhält, und gibt dem Widerstande r einen solchen
Wert, daß die an den Klemmen der Hilfsmaschine induzierte Spannung nahezu gleich
lind entgegengesetzt
der Netzspannung wird. Man kann alsdann stoßlos
den Stromkreis der Motoren M, M, schließen. In diesem Moment schaltet man die Erregung
P bei c ab, die Reihenerregung S wirkt allein und bildet im Stromkreis der Motoren
den Anlaufstrom. Es bleibt nur noch übrig, die Verbindung der Erregung P bei b wiederherzustellen,
also die Schaltung gemäß Fig. i, wobei man dem Widerstand r einen Wert gibt, der
zur Erzielung des gewünschten Anlaufes geeignet ist.
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Es muß bemerkt werden, daß, wenn man nach Bildung des Anlaufstromes
durch die Reihenerregung S die Erregung P nicht wieder einschalten wollte, der Strom
sich verringern und bei einer Spannung h. an den Klemmen der Bahnmotoren null würde;
man könnte auf diese Art eine erste Anlaufstufe erhalten.
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Um durch Energierückgewinnung bremsen zu können (Fig.2), indem die
Motoren M1, M@ als Generatoren arbeiten, die das Netz speisen, kehrt man zuerst
die Verbindungen der Magnete iyz" yn, dieser Motoren mit Bezug auf ihre Anker um
(diese Umkehr ist im Schaltungsschema nicht dargestellt). Da der Sinn des im Stromkreis
M" R, M2 fließenden Stromes umgekehrt wird, so kehrt sich auch der Sinn der Amperewindungen
der Reihenerregung S um. Die Erregung P wird daher an die Punkte a c angeschlossen
und liefert infolgedessen ebenfalls Amperewindungen in umgekehrtem Sinne zu denjenigen,
die während des Anlaufes erzeugt werden, solange die Spannung an den Klemmen der
Motoren nicht die Netzspannung übersteigt.-Um die Bremswirkung zu erhalten, gibt
man dem Widerstand r einen solchen Wert, daß die durch die Hilfsmaschine erzeugte
elektromotorische Kraft etwas höher als die Netzspannung V wird. Der Unterbrecher
i ist geschlossen und der Stromkreis M" R, 111. liefert Strom ins Speisenetz.
Die Motoren M" M2, die als Generatoren arbeiten, erregen sich kräftig, und zufolge
der Wirkung der Reihenwicklung S nimmt die elektromotorische Kraft der Hilfsmaschine
nacheinander ab, kehrt sich um und nimmt zu, um einen Wert zu erreichen, der von
der Geschwindigkeit der Bahnmotoren im Moment der Entstehung der Bremswirkung abhängig
ist.
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Wenn man Bahnmotoren mit Reihenerregung benutzt, so bietet -die Hervorbringung
der Bremswirkung wegen des. hohen Wertes, den die elektromotorische Kraft an ihren
Klemmen erreichen kann, sehr große Schwierigkeiten. Der Wert des Bremsstromes selbst
ist kein bestimmter, und es macht sich infolgedessen die Anwendung besonderer Vorsichtsmaßregeln
notwendig, um diese Wirkungsweise zu erhalten. -Die Veränderungen des Stromes lassen
sich aus der Fig.3 entnehmen, wenn man durch den Punkt F entsprechend der Spannung
TT Gerade F" F» ... zieht, welche die Charakteristiken der Erregung P für
die einzelnen Werte des Widerstandes r darstellen.
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Der Strom, welcher im Bremsstromkreise entsteht und der von der Geschwindigkeit
des Wagens in dem betrachteten Momente und ebenso von der Charakteristik der Motoren
abhängt, wird in Amperewindungen der Reihenerregung S gemessen, zum Beispiel durch
eine Länge B= O.
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Die Geschwindigkeit der Motoren verringert sich zufolge des Bremsdrehmomentes
als Folge dieses Stromes, ebenso wie die Spannung an ihren Klemmen, und der Strom
wird immer für irgendeine Spannung C TJ1 durch die Länge B, d, gemessen, welche
auf einer Parallelen zur Abszissenachse durch die Charakteristik der Hilfsmaschine
und die Gerade F, begrenzt wird. Die Verlangsamung vollzieht sich auf diese Weise
bis zum Stillstand.
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Es sei noch das Folgende bemerkt: Die Hilfsmaschine R arbeitet, wie
ersichtlich, bald als Motor, bald als Generator. Die Rolle der Antriebsmaschine,
die mit ihr gekuppelt ist; ist naturgemäß umgekehrt, und um die Netzstromstärke,
die beim Anlassen verbraucht wird, zu erhalten, oder die bei der Bremsung abgegeben
wird, muß man den Strom berücksichtigen, der durch die die Hilfsmaschine antreibende
elektrische Maschine verbraucht oder abgegeben wird, wenn diese Maschine am gleichen
Netz liegt. Man kann auch, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, in irgendeiner
bekannten Weise diese beiden Maschinen zu einer einzigen vereinigen, die die gleichen
Eigenschaften besitzt.
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Wenn man durch ein geeignetes Mittel in irgendeinem Moment die Veränderung
des Stromes unterbricht, welcher die Wicklung P durchfließt, so daß diese Wicklung
keinen` Nebenschluß mehr bildet, so bestimmt sich hieraus eine Geschwindigkeit,
die von der der halben oder vollen Spannung entsprechenden verschieden sein kann.
Dieses Mittel kann seine Anwendung nicht nur beim Anlaufen, sondern auch bei Bremsung,
namentlich auf Gefällen, finden.
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Beim Anlaufen kann man, wenn die Spannung an den Klemmen der Hilfsmaschine
null wird, oder wenn sie gleich und- gleichen Sinnes mit der des Netzes wird, diesen
Apparat aus dem'Stromkreis ausschalten und die Motoren direkt auf das Netz schalten,
sei es in Reihen- oder Parallelschaltung.
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Die in den Fig. i und 2 angegebenen Schaltungsschemata
stellen
nur Beispiele dar, und man kann in den Einzelheiten alle möglichen Abänderungen
anbringen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, auch würde es zulässig sein,
die Feldwicklungen ml, nr= der Motoren direkt untereinander zu verbinden, anstatt
sie jede für sich an ihren entsprechenden Anker anzuschließen, so daß also ein einziger
Umschalter gleichzeitig eine Einwirkung auf beide Motoren ermöglichen könnte.
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Endlich sei hervorgehoben, daß die den Gegenstand der Erfindung bildende
Schaltungsart sowohl für den Anlauf als auch für die Regelung der Geschwindigkeit
und auch für die Bremsung von Gleichstrommotoren anwendbar ist, gleichviel welches
die Zahl und die Erregungsart dieser Motoren ist.