DE551079C

DE551079C - Automatic control for vehicles with electrical transmission of the power of driven machines, especially internal combustion engines

Info

Publication number: DE551079C
Application number: DES89054D
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Hans Voigtlaender
Original assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens AG
Current assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens AG
Priority date: 1928-12-22
Filing date: 1928-12-22
Publication date: 1932-05-31

Description

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.Automatic control for vehicles with electrical transmission performance . motor vehicles carried along, in particular internal combustion engines The invention relates to a circuit for the automatic control of vehicles, in particular diesel-electric vehicles in which the transmission of the power machines carried by them available power with the help of electric generators on the traction motors takes place without the use of complicated switching devices.

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.In electrical power transmissions of the type described is often the task before the characteristic of the electric power transmission of the characteristic of adapting the diesel engine. . In particular, it is desirable to keep this constant of electrical power regardless of tractive effort and speed. The invention fulfills this condition in a particularly perfect manner with field weakening of the traction motors in that this field weakening is not only automatically dependent is regulated by the motor current, but also as a function of the driving speed. The field weakening of the traction motors depends on the motor current to influence the The characteristics of electrical power transmission are known per se. Like a record As shown in the diagrams, however, this measure alone does not achieve the goal. One has tried it in connection with other complicated switching measures without full Achieve success. With the simultaneous influencing of the field weakening of the Driving motors depending on the motor current and driving speed are used in the speed traction characteristic in a sense, both ordinates to change the sequence of characteristics, thus reaching as can be readily seen, a much more perfect result; H. one Agreement with the constant power hyperbola. The appearances here played a role are explained below using the operating curves.

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.The circuit of the invention makes use of one in a known manner DC bypass generator coupled to the drive motor with exciter and an axle driven DC bypass generator. The to- Construction of the circuit according to the invention are used in part in other means Compilation already known. So you already have the excitation of the main dynamo made dependent on an axle dynamo and also a countercompounding of the main dynamo as well as provided for field weakening of the traction motors. One recognized however, not the advantages that depend on an automatic change in the field weakening granted by the driving speed and the motor current.

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.In Fig. R a circuit diagram for a control according to the invention is shown. The DC shunt generator 2 coupled to the drive motor r feeds via a counter compound winding 21 of the generator and a counter compound winding 22 of the exciter 3 and via a contactor 23 the traction motor 5 with its exciter winding 2.4. The exciter 3 supplies on the one hand the excitation current for the excitation winding 31 of the generator a, on the other hand the excitation current for the auxiliary shunt winding 33 of the traction motor 5 via the contactor 32 which can be switched into the circuit of a battery 6 via a switch 63. In addition, the excitation 62 of the axle dynamo .l can be excited by the battery 6 when the switch 6.1 is closed. The axle dynamo q. is driven by a vehicle axle. The mode of operation of the automatic control is explained on the basis of the speed-pulling force diagram shown in Fig. 2: In the schematic Fig. 2, curve a represents the normal characteristic of a series motor for constant voltage E and curve b represents the hyperbola of constant power according to the drive , in particular combustion engine power, the drive motor is fully loaded at the intersection of the two curves with a tensile force Z1 and a speed V1; for values of Z greater than Z; and V is less than V1, it is overloaded. however, if Z is smaller than Z1 and V is greater than V1, it is not used. By changing the voltage. it would of course be possible to stay on curve b of constant power for practically all values of Z or V. Because one can pass through the area Z larger than Z1 to Z = Z 'with a lower voltage - than corresponds to curve a; But if one drives the area Z smaller than Z1 with a higher voltage, then the. Generator must be dimensioned larger. If the voltage is kept constant at a value that corresponds to V 1 and Z1, and then the motor field is weakened by parallel resistance or winding tapping, a characteristic c is obtained that allows the diesel engine to be fully utilized even with a tensile force Z "less than Z1 The degree of this type of field weakening is limited to about 30 ° /, excitation, so that even with a fine subdivision of the field weakening (many contactors or field taps) the diesel engine is no longer used at high speeds, but in the range between Z1 and Z1 ' is already considerably better loaded than without field weakening.

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.The known type of field weakening, which can be achieved with simpler tools by attaching a separately excited shunt winding to the main liotor poles, allows the available drive power to be fully utilized up to tensile forces smaller than Z1 ', for example up to Z1 ", since the field-weakening effect of such an auxiliary winding with decreasing motor current increases, so the characteristic runs according to curve D. Since the excitation current of this auxiliary winding can practically be regulated very finely even with simple means, it can be achieved that the transition from curve a to curve d takes place on hyperbola b, i.e. continuously with it If one compares the characteristics b and d, then the generator voltage must be changed approximately in the ratio of the ordinates of curve b to those of curve d, if the field-weakening effect of the auxiliary winding can be used where after starting with of the constant tensile force Z2 curve b is reached, i.e. i m point a; The full generator voltage is only reached at point β of curves b and d, and it is only from this speed onwards that the primary drive motor is underloaded if the speed continues to increase. The dimensioning of the driving motor hourly output or continuous output and the continuous generator output as well as the generator voltage and the degree of field weakening are essentially based on normal criteria. If one now establishes the relationship EG = f (V) , i.e. the relationship between generator voltage EG and speed V of the vehicle, one finds that EG increases in a straight line with V at constant starting current corresponding to starting tractive effort Z2 up to point a and then up to Nominal value at point β less than straight, roughly corresponding to the ordinate ratio - curve b curve d. So it made sense to use the driving speed itself to regulate the voltage, for which the following route was chosen: -The exciter coupled with the generator-. machine 3 is excited by a battery-excited axle dynamo .4, i.e. directly proportional to speed 1, at a constant speed of the machine set; Their voltage and thus the excitation current of the main generator is therefore in a certain ratio to the driving speed, which is determined by the characteristics of the axle dynamo and the exciter. A similar relationship also exists for the generator voltage and the driving speed. However, since a relationship had already been found for this, the task is to dimension the machines in such a way that the two curves for EG = f (V) coincide. It should be borne in mind that the excitation of the auxiliary motor winding 33 from the excitation machine 3 and thus the field weakening begins at point a in FIG. 2 and then increases as the vehicle speed V increases. Correspondingly, the characteristic d, which applies in Fig. 2 for an arbitrary but constant value of the field weakening current, would still go through β, but to the right of it would be lower and therefore the relationship f (EGV) found from the ordinate ratio would be a change, but only numerically, experienced. To fulfill this function, a counter compound winding 22 through which the traction motor current flows can be arranged on the exciter as well as on the generator, so that the exciter voltage and thus the excitation of the main generator as well as the field weakening of the motors are not only dependent on the driving speed and the saturation of the exciter, but also depends on the traction motor current.

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.There, as already mentioned, the field-weakening effect of the traction motor auxiliary winding increases with decreasing drive motor current, on the other hand during the actual start-up the speed and thus also the exciter voltage are still low, there is no significant field weakening and the associated reduction in torque or tensile force occur if the traction motor auxiliary winding is not only switched on at point a is, but already at a standstill, at the beginning of the approach. With constant starting current therefore, the starting tractive effort of the vehicle becomes somewhat with increasing speed decrease .and then pass into hyperbola b if the generator voltage is direct increases proportionally with speed; let it be a little stronger than proportional increase, one can obtain constant, even somewhat increasing, starting traction force; once the hyperbola b is reached, however, the earlier considerations apply again.

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.Since the generator voltage is zero at standstill, for the purpose When starting the exciter 3 an auxiliary exciter winding 61, which is from the battery from being energized with such a current that the generator has the required starting current gives; The excitation dependent on V then builds up on this auxiliary excitation the Achsdvnamo, but after the start, the auxiliary excitation can also be from Can be switched off again manually or automatically.

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.All that is required to control the vehicle is: a manual switch 63, with which the driver for the purpose of starting the auxiliary excitation of the exciter 3 switches on, and, if field weakening is to be used at all, or this does not already take place from a standstill, a contactor 32 that the auxiliary winding 33 of the traction motor 5 or several traction motors at the given time to the exciter switches. This contactor can be triggered by the operator or a relay make it dependent, as a time-current-voltage-speed relay or as a power relay can be executed. The direction of travel is changed in the familiar manner. That Switching off the traction motors can be done automatically in a known manner, for. B. by driving lock, Overcurrent, overload, train separation, emergency brake pull handle or by the driver, by interrupting or weakening one or more of the excitations or by switching off the motors directly via contactors, e.g. B. 23, and subsequent Shutdown or weakening of excitations.

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.The type of control described makes the leader of all control measures completely free while driving and requires the minimum number of switching devices in contrast to other automatic controls that have several or even many mechanical, electromotive or electromagnetic switching devices work. Fig. 3 shows schematically the course of generator voltage EG, motor current _T "; and Torque 31, i as a function of the driving speed V for the approach area I up to speed V2 according to point a in Fig. 2 and for the travel range between V2 and V1 "according to curve b from a to β in Fig. 2.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Automatic control for vehicles with electrical transmission of the power of driven machines, in particular internal combustion engines, in which the field weakening of the traction motors is controlled automatically depending on the motor current, characterized in that the field weakening of the traction motors (5) is controlled simultaneously as a function of the speed of the vehicle .

2. Automatic control according to claim i, characterized characterized in that the field weakening winding (33) of the traction motors (5) from one Dpamo (3) is fed, which is an excitation winding fed by an Achsd -, # namo (4.) (4 and a counter-excitation winding (22) through which the motor current flows.

3. Control according to claim i or 2, characterized in that an optionally automatic contactor (32) the field weakening winding (33) the Traction motors to the associated dynamo at the operationally required time (3) switches. Control according to claim z or 2, characterized in that the Field weakening winding (33) of the traction motors without the interposition of a control contactor is connected to the associated dynamo (3) and this dynamo is dimensioned so that at the beginning of the approach through the field weakening winding, the liotor torque does not is significantly reduced.