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Selbsttätige Steuerung für Fahrzeuge mit elektrischer Übertragung
der Leistung . mitgeführter Kraftmaschinen, insbesondere Verbrennungsmotoren Die
Erfindung betrifft eine Schaltung zur selbsttätigen Steuerung von Fahrzeugen, insbesondere
dieselelektrischen Fahrzeugen, bei denen die Übertragung der durch mitgeführte Kräftmaschinen
verfügbaren Leistung mit Hilfe von elektrischen Generatoren auf die Fahrmotoren
ohne Anwendung komplizierter Schaltapparate erfolgt.
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Bei elektrischen Kraftübertragungen der beschriebenen Art liegt häufig
die Aufgabe vor, die Charakteristik der elektrischen Kraftübertragung der Charakteristik
des, Dieselmotors anzupassen. . Insbesondere ist es erwünscht, eine Konstanthaltung
der elektrischen Leistung unabhängig von Zugkraft und Geschwindigkeit zu erzielen.
Die Erfindung erfüllt diese Bedingung in besonders vollkommener _Weise unter Feldschwächung
der Fahrmotoren dadurch, daß diese Feldschwächung selbsttätig nicht nur abhängig
vom Motorstrom, sondern auch abhängig von der Fahrgeschwindigkeit geregelt wird.
Die Feldschwächung der Fahrmotoren abhängig vom Motorstrom zur Beeinflussung der
Charakteristik der elektrischen Kraftübertragung ist an sich bekannt. Wie eine Aufzeichnung
der Diagramme ergibt, führt diese Maßnahme allein jedoch nicht zum Ziel. Man hat
sie im Zusammenhang mit anderen komplizierten Schaltmaßnahmen versucht, ohne vollen
Erfolg zu erzielen. Bei der gleichzeitigen Beeinflussung der Feldschwächung der
Fahrmotoren abhängig vom Motorstrom und Fahrgeschwindigkeit benutzt man in der Geschwindigkeitzugkraftcharakteristik
gewissermaßen beide Ordinaten zur Änderung der Charakteristikfolge, erreicht also,
wie ohne weiteres ersichtlich ist, ein viel vollkommeneres Resultat, d. h. eine
Übereinstimmung mit der Hyperbel konstanter Leistung. Die Erscheinungen, die hierbei
eine Rolle spielten, werden weiter unten an Hand der Betriebskurven erläutert.
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Die Schaltung der Erfindung bedient sich in bekannter Weise eines
mit dem Antriebsmotor gekuppelten Gleichstromnebenschlußgenerators mit Erregermaschine
sowie eines von der Achse angetriebenen Gleichstromnebenschlußgenerators. Die zum-
Aufbau der Schaltung nach der Erfindung verwendeten Mittel sind zum Teil in anderer
Zusammenstellung bereits bekannt geworden. So hat man bereits die Erregung der Hauptdynamo
von einer Achsdynamo abhängig gemacht und auch eine GegencompoundierungderHauptdynamo
ebenso
wie Feldschwächung der Fahrmotoren vorgesehen. Man erkannte
jedoch nicht die Vorteile, die eine selbsttätige Änderung der Feldschwächung abhängig
von der Fahrgeschwindigkeit und vom Motorstrom gewährt.
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In Abb. r ist ein Schaltbild für eine Steuerung nach der Erfindung
dargestellt. Der mit dem Antriebsmotor r gekuppelte Gleichstromnebenschlußgenerator
2 speist über eine Gegencompoundwicklung 21 des Generators und eine Gegencompoundwicklung
22 der Erregermaschine 3 und über ein Schütz 23 den Fahrmotor 5 mit seiner Erregerwicklung
2.4. Die Erregermaschine 3 liefert einerseits den Erregerstrom für die Erregerwicklung
31 des Generators a, andererseits über das Schütz 32 den Erregerstrom für die Hilfsnebenschlußwicklung
33 des Fahrmotors 5. Die Erregermaschine 3 erhält außer' der von der Achsdynamö
.l gespeisten Erregerwicklung 4r noch eine Hilfserregerw icklung 61, die über einen
Schalter 63 in den Stromkreis einer Batterie 6 eingeschaltet werden kann. Außerdem
kann die Erregung 62 der Achsdynamo .l bei Schließen des Schalters 6.1 von der Batterie
6 erregt werden. Die Achsdynamo q. wird von einer Fahrzeugachse angetrieben. Die
Wirkungsweise der selbsttätigen Steuerung wird an Hand des in Abb. 2 dargestellten
Geschwindigkeit-Zugkraftdiagramms erläutert: Stellt in der schematischen Abb. 2
die Kurve a die normale Charakteristik eines Reihenschlußmotors für konstante Spannung
E und die Kurve b die Hyperbel konstanter Leistung entsprechend der Antriebs-, im
besonderen Verbrennungsmotorleistung dar, so ist im Schnittpunkt der beiden Kurven
bei einer Zugkraft Z1 und einer Geschwindigkeit V1 der Antriebsmotor voll belastet;
bei Werten von Z größer als Z; und V kleiner als V1 ist er überlastet,. bei Z kleiner
als Z1 und V größer als V1 dagegen, nicht ausgenutzt. Durch Spannungsänderung. wäre
es natürlich möglich, praktisch für alle Werte von Z bzw. V auf der Kurve b konstanter
Leistung zu bleiben. Denn man kann den Bereich Z größer als Z1 bis Z = Z'
mit kleinerer Spannung durchfahren,- als der Kurve a entspricht; fährt man aber
für -den Bereich Z kleiner als Z1 mit höherer Spannung, so müßte der. Generator
größer bemessen sein. Hält man die Spannung auf einem Wert konstant, der V 1 und
Z1 entspricht, und schwächt- dann das Motorfeld durch Parallelwiderstand oder Windungsanzapfung,
so erhält man eine Charakteristik c, die es gestattet, noch bei einer Zugkraft Z"
kleiner Z1 den Dieselmotor voll auszunutzen. Der Grad dieser Art Feldschwächung
ist jedoch mit etwa 3o°/, Erregung begrenzt, so daß selbst mit feiner Unterteilung
der Feldschwächung (viele Schütze bzw. Feldanzapfungen) bei hohen Geschwindigkeiten
der Dieselmotor nicht mehr ausgenutzt wird, jedoch im Bereich zwischen Z1 und Z1'
schon erheblich besser belastet ist als ohne Feldschwächung.
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Die bekannte, mit einfacheren Hilfsmitteln zu erreichende Feldschwächungsart
durch Anbringung einer fremderregten Nebenschlußwicklung auf den liotorhauptpolen
gestattet, noch bis zu kleineren Zugkräften als Z1', also beispielsweise bis Z1",
die verfügbare Antriebsleistung voll auszunutzen, da die feldschwächende Wirkung
einer solchen Hilfswicklung mit abnehmendem Motorstrom zunimmt, die Charakteristik
also nach Kurve d verläuft. Da sich der Erregerstrom dieser Hilfswicklung praktisch
auch mit einfachen Mitteln sehr fein regeln. läßt, kann man es erreichen, daß der
Übergang von Kurve a nach Kurve d auf der Hyperbel b erfolgt, also
dauernd mit konstanter Leistung gefahren wird. Vergleicht man die Charakteristiken
b und d, so muß also die Generatorspannung etwa im Verhältnis der
Ordinaten von Kurve b-zu denen von Kurve d verändert werden, wenn man die feldschwächende
Wirkung der Hilfswicklung da einsetzen läßt, wo nach Anfahrt mit der konstanten
ZugkraftZ2 die Kurve b erreicht ist, also im Punkt a; erst im Punkt ß der Kurven
b und d ist dann die volle Generatorspannung erreicht, und erst von dieser Geschwindigkeit
ab tritt dann eine Unterbelastung des primären Antriebsmotors ein, wenn die Geschwindigkeit
noch weiter ansteigt. Die Bemessung der Fahrmotorstundenleistung bzw. -dauerleistung
und der Generatordauerleistung sowie der Generatorspannung und des Feldschwächungsgrades
erfolgt im wesentlichen nach normalen Gesichtspunkten. Stellt man jetzt die Beziehung
EG = f (V) auf, d. h. den Zusammenhang zwischen Generatorspannung EG und
Geschwindigkeit V des Fahrzeuges, so findet man, daß EG bei konstantem Anfahrstrom
entsprechend der Anfahrzugkraft Z2 geradlinig mit V ansteigt bis zum Punkt a und
dann bis zum Nennwert im Punkt ß weniger als geradlinig, etwa entsprechend dem Ordinatenv
erhältnis - Kurve b
Kurve d. Es lag also nahe, die Fahrgeschwindigkeit selbst
zur Spannungsregelung auszunutzen, wozu folgender Weg gewählt wurde:-Die mit dem
Generator gekuppelte Erreger-. maschine 3 wird bei konstanter Drehzahl des Maschinensatzes
von einer batterieerregten Achsdynamo .4, also direkt proportional der Geschwindigkeit
1-, erregt; ihre Spannung und -damit der Erregerstrom des Hauptgenerators steht
also in einem bestimmten Verhältnis zur Fahrgeschwindigkeit, das durch die Charakteristiken
von Achsdynamo und Erregermaschine bedingt ist. Ein ähnliches Verhältnis besteht
auch für die Generatorspannung und die Fahrgeschwindigkeit. Da hierfür jedoch schon
eine
Beziehung gefunden war, besteht die Aufgabe darin, die Maschinen so zu bemessen,
daß die beiden Kurven für EG = f (V) sich decken. Zu bedenken ist dabei,
daß die Erregung der Motorhilfswicklung 33 von der Erregermaschine 3 aus und damit
die Feldschwächung im Punkt a der Abb. 2 einsetzt und dann mit steigender Fahrgeschwindigkeit
V zunimmt. Dementsprechend würde die Charakteristik d, die in Abb. 2 für einen beliebigen,
aber konstanten Wert des Feldschwächungsstromes gilt, zwar noch durch ß gehen, rechts
davon jedoch tiefer liegen und daher die aus dem Ordinatenverhältnis gefundene Beziehung
f (EGV) zwar eine Änderung, aber nur zahlenmäßig, erfahren. Zur Erfüllung dieser
Funktion kann außer am Generator auch an der Erregermaschine eine vom Fahrmotorstrom
durchflossene Gegencompoundwicklung 22 angeordnet werden, so daß dann die Erregermaschinenspannung
und damit die Erregung des Hauptgenerators sowie die Feldschwächung der Motoren
nicht nur von der Fahrgeschwindigkeit und der Sättigung der Erregermaschine, sondern
auch vom Fahrmotorstrom abhängt.
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Da, wie bereits erwähnt, die feldschwächende Wirkung der Fahrmotorhilfswicklung
mit abnehmendem Fahrrnotorstrom zunimmt, andererseits während der eigentlichen Anfahrt
die Geschwindigkeit und damit auch die Erregermaschinenspannung noch klein sind,
wird keine erhebliche Feldschwächung und damit verbundene Herabsetzung des Drehmomentes
bzw. Zugkraft eintreten, wenn die Fahrmotorhilfswicklung nicht erst im Punkt a eingeschaltet
wird, sondern schon im Stillstand, bei Beginn der Anfahrt. Bei konstantem Anfahrstrom
wird daher die Anfahrzugkraft des Fahrzeuges mit steigender Geschwindigkeit etwas
abnehmen .und dann in die Hyperbel b übergehen, wenn die Generatorspannung direkt
proportional mit der Geschwindigkeit ansteigt; läßt man sie etwas stärker als proportional
ansteigen, so kann man konstante, ja sogar etwas steigende Anfahrzughzaft erhalten;
von Erreichung der Hyperbel b ab gelten dann jedoch wieder die früheren Überlegungen.
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Da im Stillstand die Generatorspannung Null ist, erhält zum Zwecke
des Anfahrens die Erregermaschine 3 eine Hilfserregerwicklung 61, die von der Batterie
aus mit einem solchen Strom erregt wird, daß der Generator den erforderlichen Anfahrstrom
gibt; auf diese Hilfserregung baut sich dann die von V abhängige Erregung durch
die Achsdvnamo auf, doch kann nach erfolgter Anfahrt die Hilfserregung auch von
Hand oder automatisch wieder abgeschaltet werden.
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Zur Regelung des Fahrzeuges sind nur erforderlich: ein Handschalter
63, mit dem der Führer zwecks Anfahrens die Hilfserregung der Erregermaschine 3
einschaltet, und, sofern überhaupt Feldschwächung verwendet werden soll oder diese
nicht bereits vom Stillstand ab erfolgt, ein Schütz 32, das die Hilfswicklung 33
des Fahrmotors 5 bzw. mehrerer Fahrmotoren zum gegebenen Zeitpunkt an die Erregermaschine
schaltet. Das Ansprechen dieses Schützes kann man vom Führer oder von einem Relais
abhängig machen, das als Zeit-Strom-Spannungs-Gesch«-indigkeitsrelais oder als Leistungsrelais
ausgeführt sein kann. Die Fahrtrichtungsänderung erfolgt in bekannter «'eise. Das
Ausschalten der Fahrmotoren kann in bekannter Weise selbsttätig, z. B. durch Fahrsperre,
Überstrom, Überlast, Zugtrennung, Notbremszuggriff oder durch den Führer, erfolgen,
und zwar durch Unterbrechung oder Schwächung einer oder mehrerer der Erregungen
oder durch direktes Abschalten der Motoren über Schütze, z. B. 23, und nachfolgende
Abschaltung oder Schwächung der Erregungen.
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Die beschriebene Steuerungsart macht den Führer von allen Regelungsmaßnahmen
während der Fahrt vollkommen frei und bedingt das Mindestmaß an Schaltapparaten
im Gegensatz zu anderen automatischen Steuerungen, die mit mehreren, oder gar vielen
mechanischen, elektromotorischen oder elektromagnetischen Schaltorganen arbeiten.
Abb. 3 zeigt schematisch den erlauf von Generatorspannung EG, Motorstrom _T"; und
Drehmoment 31,i in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit V für den Anfahrtbereich
I bis zur Geschwindigkeit V2 entsprechend Punkt a in Abb. 2 und für den Fahrtbereich
zwischen V2 und V1" entsprechend der Kurve b von a bis ß in Abb. 2.