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Selbsttätiges Schaltwerk zum Regeln von Motoren, insbesondere von
Wechselstrombahnmotoren Die elektrischen Motoren von Fahrzeugen, insbesondere Wechselstrommotoren
mit Reihenschlußcharakteristik, sind so beschaffen, daß sie bei jeder Drehzahl maximal
nur mit einem bestimmten Drehmoment beansprucht werden dürfen. Die zulässige Belastung
ist dabei durch Rücksichten auf die Erwärmung sowie eine einwandfreie Kommutierung
bedingt. Es kann experimentell eine Grenzkurve aufgestellt werden, aus der hervorgeht,
mit welchem Drehmoment bei verschiedenen Drehzahlen die 'Totoren maximal beansprucht
werden können. Praktisch wird diese Kurve in der Regel in der Weise verwendet, daß
beispielsweise bei Fahrzeugen auf dem Geschwindigkeitsanzeiger neben den Geschwindigkeitswerten
die maximal zulässige Stromstärke, welche zugleich ein Maß für die Zugkraft ist,
aufgetragen ist. Beim Anlassen und Regeln wird der Führer des Fahrzeuges also diese
Werte beachten und das Schaltwerk so betätigen, daß keine unzulässigen Ströme auftreten.
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In der Fig. z ist in der Kurve a in Abhängigkeit vom Drehmoment die
maximal zulässige Drehzahl aufgetragen. Der Führer des Fahrzeuges kann jederzeit
entsprechend dieser Grenzkurve beim Regeln oder Anlassen während der Fahrt den Regelvorgang
so beeinflussen, daß die mittlere Belastung cler'lotoren nie dauernd oberhalb dieser
Kurve liegt. Er kann dabei, da die Steuerung infolge der Handbetätigung völlig von
seinem Willen abhängig ist, auf die verschiedenen während des Betriebe, vorliegenden
Bedingungen Rücksicht nehmen, insbesondere auf das Gewicht der Züge sowie auf die
Steigung, in welcher sich das Fahrzeug bewegt.
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Beim Regeln kann natürlich die in der Figur eingezeichnete Grenzkurve
a praktisch nicht eingehalten «-erden, da die an die Anker der Motoren gelegte Spannung
nicht fortlaufend geregelt «erden kann. Um also beim Anlassen beispielsweise die
Kurve a im Mittel einzuhalten, muß der Führer sich beim Schalten an die unterhalb
der Kurve a gelegene Regelkurve a, halten, damit die beim Ausschalten von der einen
Spannungsstufe auf die andere entstehenden Stromstöße nicht zu groß werden. In der
Figur ist ein Kurvenzug eingezeichnet, der mit e bezeichnet ist und den Anfahrvorgang
einer elektrischen Lokomotive darstellt, die durch den Führer des Zuges von Hand
angelassen wird.
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Beim Anlassen und Regeln der 'Motoren eines Zuges nach einer vorbestimmten
Charakteristik von Hand wird nun die Aufmerksamkeit des Zugführers in hohem Maße
in Anspruch genommen, was mit Rücksicht auf seine übrigen Aufgaben wenig erwünscht
ist.
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Es ist auch bereits bekannt geworden, Motoren nach einem vorbestimmten
Schaltstufenplan zii regeln. Nach diesem Vorschlag «-ar
eine Vorrichtung
vorgesehen, die mit Rücksicht auf die herrschenden Witterungsumstände und die Strecke
die in jedem Punkt der Strecke günstigsten Schaltstellungen anzeigt. Allein dieser
Vorschlag ist wenig brauchbar, weil er für jede Fahrzeuggattung die Aufstellung
eines Schaltstufenplanes für jede Strecke erforderlich macht. Eine Sicherheit gegen
Überlastung der Motoren ist auch bei einer nach dem erwähnten Vorschlag ausgeführten
Einrichtung nicht vorhanden.
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Die Erfindung betrifft ein selbsttätiges Schaltwerk zum Regeln und
Anlassen von 'Motoren, insbesondere Wechselstrombahnmotoren. Dieses ist nach der
Erfindung mit einer gleichzeitig in Abhängigkeit von der Drehzahl und dem Drehmoment
beeinflußten Einrichtung versehen, durch die die Motoren nach einer vorbestimmten
Regelkurve geregelt und angelassen werden.
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Die Regeleinrichtung kann erfindungsgemäß so ausgebildet werden, daß
die mittlere Regelkurve nach der Grenzleistung der Motoren so vorbestimmt ist, daß
diese während des Betriebes nie dauernd überschritten wird.
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Es sei bemerkt, daß es an sich bereits bekannt ist, Motoren (Bahnmotoren)
nach einer vorbestimmten Kurve anzulassen und zu regeln. Beispielsweise ist es bekannt
geworden, Bahnmotoren in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit oder der Beschleunigung
oder Verzögerung oder dem 'Iotorstrom anzulassen und zu regeln. Aber bei den bekannt
gewordenen Einrichtungen ist noch keine Sicherheit vorhanden, daß die geregelten
Motoren nicht überlastet werden. Diese wird nach der Erfindung dadurch erzielt,
daß die Motoren gleichzeitig in Abhängigkeit vom Drehmoment (Strom) und der Geschwindigkeit
geregelt werden.
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Im allgemeinen wird die Grenzkurve a1, nach der geregelt werden soll,
um die mittlere Regelkurve a zu erzielen, eine beliebige, mathematisch nicht erfaßbare
Funktion darstellen. Da es einfache Schaltvorrichtungen nicht gibt, deren Charakteristik
mit der durch eine solche Grenzkurve gegebenen Funktion übereinstimmt, so werden
weiter erfindungsgemäß der dem Motorstrom 1,n proportionale Strom J und der der
Motordrehzahl ia entsprechende - unter Umständen nur gedachte - Strom
i so in Ströme J'
bzw. i' umgeformt, daß diese nach einer Funktion
voneinander abhängig sind, die zugleich die Charakteristik einer einfachen Schaltvorrichtung
ist. In der Regelvorrichtung werden also die Augenblickswerte der Strom und Drehzahl
des Motors entsprechenden Ströme J bzw. i
so umgeformt, daß die umgeformten
Ströme J' bzw. i' nach einem hyperbolischen Gesetz voneinander abhängig sind, daß
also das Produkt der einander zugeordneten Werte von J' und i' konstant ist. Eine
Schaltvorrichtung, die bei konstantem Produkt zweier Ströme anspricht, gibt es jedoch
bereits in der Gestalt des bekannten dynamometrischen Relais. Gegebenenfalls werden
die Ströme J' und i', welche den Spulen des dynamometrischen Relais
zugeführt werden, in Ströme der gleichen Stromart umgewandelt. Am, zweckmäßigsten
ist die Umwandlung in Gleichstrom.
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In Fig.3 ist die beschriebene Umformung an Hand der zusammengehörigen
Diagramme A, B, C und D veranschaulicht. In dem Diagramm A stellt die Kurve a1 in
Abhängigkeit von dem Drehmoment (31,i bzw. Motorenstrom J",) die malimal zulässige
Drehzahl n dar. Die Kurv en b und c der Diagramme B und C zeigen die umgeformten
Ströme J' und i'
in Abhängigkeit von dem 'Motorstrom J", bzw. der Drehzahl
it. In der Kurve d des Diagramms D ist schließlich das umgeformte Überlastdiagramm
dargestellt, das durch die mathematische Funktion i' = c gegeben ist, wobei c eine
beliebige Konstante bedeutet.
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Die Regeleinrichtung selbst besteht aus zwei Vorrichtungen, die einen
der Motordrehzahl proportionalen Gleichstrom i sowie einen dem Motordrehmoment bzw.
'Motorstrom J", proportionalen Strom J so in Gleichströme i' und J'
übersetzen, daß das Produkt dieser Ströme einen konstanten Wert ergibt. Sie besteht
ferner aus einem dynamometrischen Relais, dessen Spulen von den Strömen i' und J'
durchflossen sind. Die Kontakte dieses Relais sind in die Steuerung eines selbsttätigen
Schaltwerks einer Lokomotive oder eines Triebfahrzeuges so eingeschaltet, daß beim
Ansprechen des Relais das Schaltwerk nicht weiterschaltet. Das Relais spricht in
der Regel dann an, wenn das Drehmoment bzw. der Motorstrom-oberhalb der in Fig.
z mit a1 bezeichneten Regelkurve liegt.
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Erfindungsgemäß kann die Regeleinrichtung noch dadurch verbessert
werden, daß eine bestimmte regelbare Vormagnetisierung für das dynamometrische Relais
vorgesehen wird, etwa in der Weise, daß bereits entsprechend einer bestimmten Drehzahl
in der in Abhängigkeit von der Motordrehzahl beeinflußten Erregerspule des dynamometrischen
Relais ein Strom fließt. Durch diese Vormagnetisierung kann erzielt werden, daß
von einem bestimmten Grenzstromwert an auch bereits bei der Drehzahl Null das Relais
anspricht und ein Weiterschalten des Schaltwerkes verhindert. Infolge der Vormagnetisierung
besitzt die Grenzkurve in dem unteren Teil einen vertikalen Verlauf.
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Cbrigens kann auch eine besondere, aus einer fremden Stromquelle gespeiste:
1?rregerslitile vorhanden sein, durch die die Vorinagnetisierung erzeugt wird. Durch
Wahl t#iiier geeigneten Vormagnetisierung kann die Regelkurve gegenüber den Achsen
des Koordinatensvstenis beliebig verschoben werden.
In Fig. 2 ist
als Ausführungsbeispiel die Schaltung einer Einrichtung für eine vollsolbsttätige
Steuerung einer elektrischen Lokomotive dargestellt. Mit i ist (las dynamonietrische
Relais der Regelvorrichtung bezeichnet, über dessen Kontakte 2 ein Steuerstromkreis
für das l?inschalten des Schaltwerkantriebes geleitet ist. Die weitere Ausbildung
des selbsttätigen Schaltwerks ist nicht dargestellt, da sie für das Wesen der Erfindung
ohne Bedeutung ist. Mit 3 ist die feste Relaisspule bezeichnet, mit .4 die bewegliche,
durch die der Kontakt 2 des Relais betätigt wird. Durch die finit q bezeichnete
Zugfeder wird normalerweise der Relaiskontakt 2 geschlossen gehalten, sofern nicht
die durch die magnetischen Felder der beiden Spulen hervorgerufenen Kräfte groß
genug sind, den Kontakt 2 zu öffnen. Die Shti1e 3 ist von dem Erregerstrom J' durchflossen,
(fier einer Sammlerbatterie 6 entnommen ist und dessen Größe von einer Regelvorrichtung
8 bestimmt wird, die von dem dem Motorstrom J", proportionalen Strom J beeinflußt
wird. Die Regelvorrichtung 8 besteht aus einem elektromagnetischen oder elektrodynamischen
Anker q sowie einem regelbaren Widerstand 7, der in den von der Stromquelle 6 gespeisten
Erregerstromkreis der Spule 3 des elektrodynamischen Relais i eingeschaltet ist
und von dem Anker (1 geregelt wird. Der Anker o wird durch einen Stromwandler io
erregt, dessen Primärwicklung vom lIotorstrom J"I durchflossen ist. Die zweite beweglich
angeordnete Relaisspule .1 ., welche den Kontakt 2 des Relais betätigt, wird von
einem durch die in Abhängigkeit von der Motordrehzahl n beeinflußte Regelvorrichtung
12 gesteuerten Gleichstrom i' durchflossen. Auch dieser Gleichstrom wird der Sammlerbatterie
6 entnommen. Die Regelvorrichtung 12 besteht aus einem in den Erregerstromkreis
der Relaisspule .I eingeschalteten Regelwiderstand ii sowie dem diesen regelnden
Elektromagneten 13, welcher von dem der Motordrehzahl proportionalen Strom i erregt
ist. Dieser Strom i wird von einer mit konstantem Magnetfeld arbeitenden Dynamo
14 geliefert, die von dem Motor mittelbar oder unmittelbar angetrieben ist und deren
Spannung der Motordrehzahl n proportional ist. Mit 13 ist eine in der Regelvorrichtung
12 enthaltene zusätzliche Schaltvorrichtung bezeichnet, welche die Einstellung einer
Vormagnetisierung ermöglicht.
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Infolge geeigneter Bemessung der Widerstände ; bzw. i i sind die einander
zugeordneten Ströme i' und J' nach einem hyperbolischen Gesetz voneinander
abhängig.
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Die Einrichtung kann in verschiedener Weise verändert werden, ohne
daß das Wesen der Erfindung dadurch beeinträchtigt wird.
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An Stelle eines Elektromagneten 13, der durch die Dynamo 14 finit
einem der Motordrehzahl proportionalen Strom i gespeist wird, kann ein in Abhängigkeit
von der Motordrehzahl n beeinlul.lter Wirbelstroindrehanker treten, der unmittelbar
den Widerstand ii regelt. Dabei tritt der Strom i gar nicht mehr in der Vorrichtung
auf.
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In vereinzelten Fällen, wenn die Grenzkurve der Motoren einer Hyperbel
nahekommt oder gleich ist, wird es auch möglich sein, das mit i bezeichnete Relais
unmittelbar durch Ströme J bzw. i, die dem' Motorstrom J," sowie der -Motordrehzahl
ii proportional sind, zu beeinflussen. In diesem Fall wäre ebenfalls die Verwendung
einer Tachometerdynamo zur Speisung der Relaisspule .1 vorteilhaft. Die in Abhängigkeit
von dein Motorstrom beeinflußte Relaisspule 3 kann dann auch direkt an den Stromwandler
unter Vorschaltung von Gleichrichtern, beispielsweise Trockenplattengleichrichtern,
angeschlossen «-erden.
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Die Schaltung einer derartigen Einrichtung ist in Fig. .M dargestellt.
Das Relais i entspricht völlig dem in der Schaltung nach Fig. 2 angewandten. Die
Relaisspule 3 ist über eine Gruppe von in Graetz-Schaltung angeordneten Trockenplattengleichrichtern
16 an den Stromwandler io angeschlossen. Die Spule 4. wird unmittelbar von einer
Tachometerdynamo 14 gespeist, clie proportional der Drehzahl der Motoren angetrieben
ist. Diese Schaltung scheint jedoch mir dann vorteilhaft zu sein, wenn die Motoren
mit Spannungen einer höheren Frequenz betrieben «-erden oder wenn Drehstrommotoren
verwendet «-erden, so daß der Erregerstrom von den drei Phasen des Drehstromnetzes
geliefert werden kann, weil in diesem Fall die Welligkeit des von den Gleichrichtern
gelieferten Stromes nur gering ist.
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Bei selbsttätigen Schaltwerken mit Feinregulierung, welche mit Hilfe
von zwischen die einzelnen Anzapfungen von Stufentransformatoren eingeschalteten
Hilfstransformatoren oder Drosselspulen erzielt wird, kann man im Bedarfsfall die
Steuerung so einrichten, daß das Schaltwerk auf den Feinstufen auch unabhängig von
der Regelvorrichtung weitergeschaltet werden kann. Dies wird durch ein mit Zeitverzögerung
ansprechendes Relais (Zeitwächter) bewirkt, das nur beim Einschalten der Feinstufen
erregt wird und das den Schaltwerkantrieb bereits nach einer bestimmten Zeit weiter
einschaltet bevor der Motorstrom unter die vorbestimmte Charakteristik abgesunken
ist. Durch (las Zeitrelais sollen unzulässig lange Belastungen der Feinstufen, beispielsweise
wenn ein schwerer Zug beschleunigt «-erden soll, vermieden werden.
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Die Erfindung kann in erster Linie bei Wechselstrommotoren angewendet
werden; sie ist jedoch in gleicher Weise auch bei Gleichstrommotoren anwendbar.
In diesem Fall wird der
zur Beeinflussung der Regelvorrichtung dienende
Gleichstrom vom Hauptmotorstroni ab-Gezeigt. Die Erfindung ist bestimmt für sulbsttüti`e
Regelantriebe aller Arbeitsgebiete.
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