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Schaltung zum Anlassen und Nutzbremsen von Gleichstrombahnmototen
Die zur Zugförderung in üblicher Weise benutzten Gleichstrommotoren haben Reihenschlußerregung,
deren Drehzahl sich selbsttätig mit dem verlangten Drehmoment einstellt. Zum Anlassen
derartiger Motoren werden gewöhnlich Widerstände, die vor dem Anker lieken, entweder
von Hand oder durch Relais ausgeschaltet.
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Bei dieser Schaltung wird die Netzspannung in jedem Augenblick des
Anlaßvorganges durch den Ohmschen Spannungsabfall in den vorgeschalteten Widerständen
und durch die von dem Motor entwickelte Gegen-EMK im Gleichgewicht gehalten, wie
es der Gleichung U=RI -f- KNO (z) entspricht, worin U die Netzspannung, R
der Widerstand, I der aufgenommene Ankerstrom, K eine Konstante und
N die Drehzahl, das Erregerfeld ist.
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Die Gegen-EMK KN 0 wächst dabei allmählich mit der Motordrehzahl,
sofern das Erregerfeld 0 innerhalb der geringen, durch die Schwankungen des aufgenommenen
Ankerstromes I bedingten Änderungen gleich groß bleibt.
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Es ist bereits bekannt, das Anlassen der Motoren nicht allein durch
Ausschaltung von Widerständen im Ankerkreis, sondern auch durch Verringerung des
Erregerfeldes zu bewirken. Zu diesem Zweck ist ein Motor mit Nebenschluß, Fremd-
oder Compounderregung, die allmählich planmäßig geschwächt wird, geeignet.
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Bei diesem Anlaßverfahren wird durch Schwächung des Erregerfeldes
um die Hälfte die Drehzahl des Motors auf das Doppelte gesteigert. Nach Erreichung
dieses Endwertes kann dann die Klemmenspannung U am Anker des Motors (z. B. durch
Änderung der Zusammenschaltung mit anderen gleichen Motoren) verdoppelt und das
ursprüngliche Erregerfeld wieder eingestellt werden, ohne daß sich die Drehzahl
ändert. Nunmehr kann durch eine nochmalige Schwächung des Erregerfeldes auf die
Hälfte die Drehzahl eine weitere Steigerung auf den doppelten Betrag erhalten usf.
bis zu dem Zeitpunkt, in dem der Motor bei voller Spannung und geschwächtem Felde
seine Enddrehzahl erreicht hätte und dabei sein Drehmoment das Gegendrehmoment im
Gleichgewicht halten würde.
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Die Abb. i der Zeichnungen veranschaulicht einen solchen Vorgang.
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Die ausgezogenen Linien i, 2, 3 stellen die Motordrehzahl N in Abhängigkeit
von der aufgenommenen Stromstärke I dar. Dez Motor wird dabei z. B. durch Relais
nacheinander an verschiedene Spannungen, etwa
und U: gelegt und das Erregerfeld durch Fremderregung zunächst unverändert gehalten.
Wenn
dann der Fluß geschwächt wird,- so rücken die Linien i, 2, 3 in die Linien i', 2'
und 3' vor und ergeben erhöhte Drehzahlen. Man kann die Schwächung des Flusses dabei
so weit treiben, daß die Linie z' mit der Linie .2 und die Linie 2' mit der Linie
3 zusammenfällt.
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In der Praxis läßt sich jedoch die Schwächung des Flusses auf die
Hälfte seines Wertes bei Motoren mit normalen Abmessungen. infolge der bei der Stromwendung
auftretenden Schwierigkeiten nicht durchführen.
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Man muß daher die Schwächung des Flusses auf einen bestimmten Wert
beschränken, der etwa durch die in der. Abb. i gezeichnete Lage der Linie i' dargestellt
ist. Wenn dann beim Anlassen der Punkt a auf der Linie i' erreicht ist und die Spannung
von
auf geändert wird, so hat -dies zur
Folge, daß der Anlaßvorgang nunmehr durch den Punkt b auf der Linie :2 gekennzeichnet
ist. Der Motorstrom steigt dabei plötzlich von I1 auf I2, was ein erheblicher Nachteil
ist.
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Dem kann dadurch bis zu einem gewissen Grade abgeholfen werden, daß
dem Motor durch die Zuschaltung einer Reihenschlußwicklung im gleichen-Sinne eine
Compoun.dcharakteristik gegeben wird. Das Schaubild der Abb. 2 bezieht sich auf
diesen Fall und zeigt die Motordrehzahl in Abhängigkeit vom Motorstrom einmal bei
vollem und ein anderes Mal bei vermindertem Erregerfeld. Die Kennlinien haben einen
größeren Abfall, und infolgedessen ist die Änderung des Motorstromes von I, nach
I2 beim Übergang von einer Klemmenspannung zur nächsthöheren geringer als im Falle
der Abb. i.
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Bei den vorbeschriebenen Anordnungen werden die veränderlichen Klemmenspannungen
der Motoren dadurch erhalten, daß man ihre Zusammenschaltungsart stufenweise ändert,
und zwar beginnt man mit der Reihenschaltung, geht dann zur Reihenparallelschaltung
und schließlich zur reinen Parallelschaltung über. Dies geschieht sowohl beim Anlassen
mittels Widerstandsverminderung als auch mittels Flußverminderung. Der Übergang
von der einen zur anderen Zusammenschaltungsart erfolgt bei Erreichung eines bestimmten
Motorstromes und kann selbsttätig ausgelöst werden.
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Es sind auch Schaltanordnungen bekannt, bei denen die Feldwicklung
des Bahnmotors von einer besonderen Erregermaschine gespeist und die Änderung seines
Erregerfeldes dadurch bewirkt wird, daß die in den Erregerwicklungen der Erregermaschine
fließenden Ströme in bestimmter Weise geregelt werden. Eine bekannte Anordnung dieser
Art bezweckt, während des Betriebes mit Nutzbremsung die Klemmenspannung der dann
als Generatoren wirkenden Motoren unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit um
einen gewissen Betrag über der Netzspannung zu halten. Bei ihr besitzt die Erregermaschine
drei fremd erregte Wicklungen, von denen eine. Wicklung mit konstantem Strom, die
zweite Wicklung mit einem dem Ankerstrom des Hauptmotors proportionalen Strom, die
dritte Wicklung mit einem der Fahrgeschwindigkeit proportionalen Strom gespeist
wird. Die erste und dritte dieser Wicklungen sind gegengeschaltet. Bei einer anderen
bekannten Anordnung sind die drei Erregerwicklungen der Erregermaschine in anderer
Weise derart geschaltet, daß beim Anlassen und Bremsen eine Selbstregelung auf konstante
Leistung bei veränderlicher Geschwindigkeit erzielt wird.
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Die Erfindung hat nun eine Schaltung zum Anlassen und Nutzbremsen
von Gleichstrombahnmotoren, die von einer mit drei Feldwicklungen versehenen Erregermaschine
fremd erregt werden, zum Gegenstand, bei der sich diese Vorgänge mit im wesentlichen
unveränderlichem Drehmoment vollziehen. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß
däs Anlassen bzw. Nutzbremsen von Anfang bis zu Ende selbsttätig geschehen kann.
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Aus dem Vorhandensein eines konstanten Drehmomentes ergibt sich zunächst
der Vorteil, daß während des gesamten Anlaßvorganges das höchstzulässige Drehmoment,
d. h. ein Drehmoment, dessen Wert gerade noch unterhalb des Gleitmomentes liegt,
wirksam sein kann. Daraus ergibt sich weiterhin, daß das Anfahren so schnell wie
irgend möglich erfolgt und bei einer vorgegebenen Fahrzeit die Endgeschwindigkeit
herabgesetzt werden kann. Dadurch wird aber auch die Abnutzung des rollenden Materials
und des Unterbaues geringer, und die Verluste werden erniedrigt, so daß im Endergebnis
bei der Schaltung nach der Erfindung die Wirtschaftlichkeit des Betriebes gesteigert
werden kann.
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Um das Drehmoment konstant zu halten, ist es erforderlich, daß das
Produkt aus Motorstrom I und magnetischem Fluß 0 ebenfalls unverändert bleibt, da
bekanntlich das Drehmoment diesem Produkt proportional ist. Es besteht also zunächst
die Gleichung 0#I=D.
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Bei konstanter Speisespannung U der Motoren ergibt sich weiterhin
aus der eingangs erwähnten Gleichung U=KNO, da das Glied RI gegen KIV
0 vernachlässigbar klein ist. Aus diesen beiden Gleichungen
ergibt
sich, wenn man den Wert für 0 einsetzt.
oder, da rechts nur konstante Werte stehen,
d. h. mit anderen Worten, daß es für das Anlassen mit gleichbleibendem Drehmoment
erforderlich ist, daß sich dabei der Motorstrom proportional mit der Drehzahl ändert.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit Hilfe einer Einrichtung
gelöst, deren Schaltungsanordnung in Abb.3 schematisch wiedergegeben ist. In dieser
Abbildung ist M der Antriebsmotor, der eine Reihenschlußw icklung N und eine besondere,
durch eine Erregermaschine E gespeiste Erregerwicklung P besitzt. Bei Beginn der
Zugbewegung und bei dem dem ganzen Feld des Antriebsmotors M entsprechenden .Betrieb
sind die Amperewindungen der beiden Erregerwicklungen ungefähr von gleichem Einfluß,
bei Nutzbremsung hingegen sind die Amperewindungen der Serienwicklung, wie später
ausgeführt wird, herabgesetzt. Die Erregermaschine E wird mit konstanter Drehzahl
durch einen vom Netz gespeisten Motor m angetrieben und besitzt drei Erregerwicklungen,
eine Nebenschlußwicklung sh, eine fremd erregte Wicklung d und eine Serienwicklung
S.
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Die Nebenschlußwicklung sla wird so bemessen, daß ihre Widerstandsgerade
dem geraden Teil der Leerlaufcharakteristik der Erregermaschine parallel verläuft
(vgl. Abb.4 und 5). Die fremd erregte Wicklung d wird durch eine Hilfserregermaschine
f gespeist. Diese wird von der Wagenachse angetrieben und durch eine Wicklung s
erregt, die durch eine beliebige Stromquelle mit konstanter Spannung it gespeist
wird. Bezeichnet man den durch die Hilfsmaschine f gelieferten Strom mit id, so
gilt die Gleichung id - hl # N, (2)
wobei kl eine Konstante ist. Die
Serienwicklung S wird von einem Strom durchflossen, der proportional dem vom Antriebsmotor
M aufgenommenen Strom I ist. .
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Die Wirkungsweise der drei Erregerwicklungen der Erregermaschine E
wird an Hand der Abb. 4 und 5 erläutert. In diesen Abbildungen ist oi" die Leerlaufcharakteristik
der Erregermaschine, welche die erzeugte Spannung in Abhängigkeit von den erregenden
Amperewindungen darstellt. Die Gerade 02" ist die Widerstandcharakteristik der Nebenschlußwicklung
sla. Einer bestimmten Spannung e entspricht ein Punkt B dieser Charakteristik, so
daß dieStreckeAB den Amperewindungen entspricht, die gerade ausreichen, um die Maschine
zu magnetisieren. Um zu erreichen, daß die Wirkungen der Serienwicklung S und der
fremd erregten Wicklung d sich aufheben, müssen die Amperewindungen B C der Serienwicklung
und die Amperewindungen CB der Fremdwicklung gleich, aber entgegengesetzt gerichtet
sein. Es gilt demnach die Gleichung I = k2 ' id, (3)
wobei k2
eine Konstante ist. Wie sich zeigen läßt, entspricht jeder Geschwindigkeit ein einziger
Punkt auf der Leerlaufcharakteristik der Maschine E. Man kann die Gleichung (i)
wie folgt schreiben:
die Magnetisierung des Antriebsmotors 0 = f (I e -f- 1). (4)
Für
die besondere Wicklung P des Antriebsmotors gilt das Ohmsche Gesetz
wobei e die Klemmenspannung der Erregermaschine, r der Widerstand des Stromkreises
ist. Aus den Gleichungen (2) und (3) ergibt sich die Beziehung
Jedem Wert von N entspricht demnach ein genau bestimmter Wert von e, der entweder
positiv oder negativ sein kann, je nach der Drehzahl und der entsprechenden Erregung
des Motors. Es bleibt noch zu zeigen, daß dabei der Betrieb stabil ist, d. h. daß
die Amperewindungen der Serienwicklung und der Fremdwicklung bei einer Verschiebung
des jeweiligen Arbeitspunktes auf der Charakteristik oi" selbsttätig eine ausgleichende
Wirkung ausüben, die das Gleichgewicht wiederherstellt. Wird beispielsweise angenommen,
daß die Amperewindungen der Serienwicklung, wie in Abb. 5 gezeigt, etwas überwiegen
und der Strecke B D entsprechen, dann wird der Überschuß CD der Serienamperewindungen
sich zu den Ampere-,vindungen AB addieren, so daß die Amperewindungen
AD' resultieren. Der Arbeitspunkt verschiebt sich auf der Geraden A parallel
zu der Geraden oa" und wandert von B nach 13l, wobei die Spannung von
e auf e' anwächst. Infolge dieser Erhöhung der Erregerspannung nimmt
der Err egerstrom ,I e des Antriebsmotors
zu, so daß auch seine
gegenelektromotorische Kraft steigt und demnach der Strom I abnimmt, bis das Gleichgewicht
wiederhergestellt ist.
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Durch die beschriebene Einrichtung ist somit die Bedingung der Gleichung
(3) und ebenso die Bedingung
erfüllt, d. h. ein Betrieb bei konstantem Drehmoment gewährleistet.
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Die vorhergehenden Betrachtungen beziehen sich auf den Fall des Motorbetriebes.
Bei Generatorbetrieb muß der Strom I umgekehrt werden. Zu diesem Zweck wird der
Strom id in der fremd erregten Wicklung d.umgekehrt. Die Amperewindungen der Nebenschlußwicklung
und der fremd erregten Wicklung wirken dann in demselben Sinne, während die Amperewindungen
der Serienwicklung den beiden genannten entgegengerichtet sind. Die obigen Überlegungen
sind im übrigen sinngemäß anwendbar.
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Abb.6 zeigt die Anlaß- und Bremscharakteristik, d. h. die Veränderung
des Stromes und des Drehmoments in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit bei Anwendung
von vier Motoren, von denen jeder eine Erregermaschine E besitzt. Die vier Motoren
seien zunächst in Reihe geschaltet, so daß jeder Motor an der Spannung
liegt, wenn die Netzspannung U ist. Der Beginn des Anlaufs vollzieht sich als gewöhnlicher
Serienmotor durch Ausschaltung von Anlaßwiderständen. Die Erregung des Antriebsmotors
M erfolgt z. durch die Serienwicklung N, 2. durch die besondere Erregerwicklung
P, die durch die Erregermaschine E gespeist wird.
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Die letztere wird nur durch die Serienwicklung S erregt. In den äußeren
Stromkreis der Erregermaschine E können Regelwiderstände eingeschaltet sein, um
den Strom I e
auf den gewünschten Wert zu regeln. Es handelt sich somit zunächst
um Serienmotorbetrieb, und der Anlauf findet bei konstantem Strom und konstantem
Erregerfeld statt. Diesem Betrieb entspricht der Kurvenzug von m1 bis n1. In der
Abb. 6 ist bei diesem Betrieb ein mittlerer - Stromwert I1 dargestellt, während
tatsächlich eine Reihe von Charakteristiken durchlaufen wird, die von der Größe
der Anlaßwiderstände abhängen.
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Der Punkt % entspricht der Geschwindigkeit Ni bei voller Erregung
des Antriebsmotors, wobei alle Anlaßwiderstände kurzgeschlossen sind und an den
Klemmen jedes Motors die Spannung liegt. Der Betrieb mit konstantem Drehmoment
beginnt bei n1, indem man den Stromkreis der Nebenschlußwicklung sh schließt und
die fremd erregte Wicklung d durch die Hilfserregermaschine f
derart
speisen lädt, daß sich ein Strom id - K # Il ergibt. Der Anlauf wird
dann selbsttätig von n1 nach p1 vor sich gehen, wobei das Gesetz -
gewährt ist. Der Punkt p1 entspricht der Geschwindigkeit N2 der Motoren, wenn jeder
von ihnen bei voller Erregung eine Klemmenspannung
erhält. Die Geschwindigkeit N2 ist demnach das Doppelte von Ni. Da im Punkte p1
die Spannung und -ein Strom 12 - 211 vorhanden sind,
muß der Erregerfluß, halb so groß sein wie in denn Punkten,. Der Punkt p1
entspricht demnach dem Fluß
und der Spannung
Werden jetzt die Motoren in Serienparallelschaltung gelegt, so beträgt ihre Klemmenspannung
. Da die Spannung sich verdoppelt hat, muß der Strom, wenn das Drehmoment konstant
bleiben soll, einen Wert annehmen, der halb so groß ist wie im Punkt p1. Zu diesem
Zweck wird der durch die Hilfsmaschine f gelieferte Strom i d auf
die Hälfte vermindert, indem man in seinen äußeren Stromkreis Widerstände einschaltet.
Auf diese Weise gelangt man nach dem Punkt q1, vyo dieselbe Stromstärke Ii'herrscht
wie im Punkt ni.
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Der Betrieb spielt sich in derselben Weise von n, nach y1 ab, wo die
Motoren parallel ans Netz geschaltet werden. Die Geschwindigkeit ist demnach N3
= 2 N2. Der Strom geht wiederum von dem Wert 1, auf I1 zurück, und der Arbeitspunkt
wandert nach s1. Hierauf folgt der Betrieb auf der Kurve s1 t1.
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Der Anlauf wird als einfacher Serienmotor beendet, wobei sich die
Betriebsbedingungen aus dem gewählten Verhältnis zwischen der Windungszahl der Serienwicklung
N_ und der besonderen Wicklung P des Antriebsmotors ergeben. Der Schnittpunkt der
natürlichen Charakteristik mit der Geraden für konstantes Drehmoment, die durch
den Punkt s1 geht, bestimmt den Punkt t1, wo die Wirkung der Erregermaschine E beendet
ist. Dies geschieht tatsächlich ganz allmählich, da im Punkt tl die durch die Serienwicklung
N des Antriebsmotors erzeugten Amperewindungen gerade ausreichen, um den Motor zu
magnetisieren, wenn der durch die Erregermaschine E gelieferte Strom verschwindet.
Von dem Punkt t1 an vollzieht sich der Anlauf als Serienmotor auf der natürlichen
Charakteristik.
In der Abb. 6 ist auch der Verlauf des Drehmomentes
in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit dargestellt (Kurve AHI).
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Um eine Bremsung mit Stromrückgewinnung durch die Leitung vorzunehmen,
wird die Erregermaschine E wieder eingeschaltet, nachdem die Anschlüsse der fremd
erregten Wicklung d vertauscht wurden. Da die Stromrichtung bei Generatorbetrieb
entgegengesetzt der Stromrichtung bei Motorbetrieb ist, wirken die Amperewindungen
der Serienwicklung N des Motors entmagnetisierend. Man vermindert deshalb die Windungszahl
dieser Wicklung, denn sie spielt in diesem Falle lediglich die Rolle, gegen -plötzliche
Schwankungen der Netzspannung ausgleichend zu wirken. Der Verlauf der Nutzbremsung
ist ebenfalls in Abb. 6 veranschaulicht. Ist Na die Geschwindigkeit in dem Augenblick
der Bremsung, so wandert der Arbeitspunkt von V1 auf der natürlichen Charakteristik
des Serienmotors nach V1. Dieser Punkt entspricht einem bestimmten Wert
I v bei Generatorbetrieb. Die Größe des Stromes I v wird bestimmt
durch den Strom i d, der bei der betreffenden Geschwindigkeit und bei der
betreffenden Schaltung der Motoren durch die Hilfsmaschine f geliefert wird. Durch
das auf diese Weise auf die Motoren ausgeübte negative Drehmoment wird die Zuggeschwindigkeit
vermindert. Hierbei spielt sich der Betrieb, wie oben ausgeführt wurde, bei konstantem
Drehmoment ab. Sind in dem betrachteten Falle die Motoren parallel geschaltet, so
wandert der Arbeitspunkt von Th nach s,'. Dieser Punkt entspricht der Geschwindigkeit
N3 der Motoren, wenn diese bei voller Erregung an der Spannung U und bei dem Strom
Il als Generator arbeiten. In dein Punkt sl geht man zur Serienparallelschaltung
der Antriebsmotoren über, so daß ihre Klemmenspannung von U auf
herabsinkt. Um das Drehmoment konstant zu halten, verdoppelt man den Strom
i d, indem man den Widerstand verinindert, welcher in dem Stromkreis der
fremd erregten Wicklung liegt. Die Erregermaschine E bewirkt dann eine Verminderung
der Erregung auf den halben Wert, so daß der Punkt ri' erreicht wird, welchem ein
Strom 12' entspricht. Hierauf folgt der Betrieb von dem Punkt yi nach qi . Dieser
Punkt entspricht der Geschwindigkeit N2' der Motoren; wenn diese bei voller Erregung
bei einer Spannung
und einem Strom Il als Generatoren arbeiten.
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Indem die Motoren in Serie geschaltet und gleichzeitig der Strom id
in der fremd erregten Wicklung verdoppelt wird, gelangt man zu dem Punkt p1, welcher
einem Strom I2 entspricht. Die Geschwindigkeit wird weiter abnehmen bis zu dem Punkt
ml, d. h. bis zu der Geschwindigkeit N,', die dem Betrieb bei voller Erregung und
bei einer Klemmenspannung der Motoren entspricht. In diesem Punkt ist
die Nutzbremsung beendet.
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Der Verlauf des Drehmoments in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit
wird durch die Gerade A'I' angegeben.
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Bei der Darstellung in Abb. 6 ist angenommen, daß der Motor mit doppeltem
Strom und halbem Fluß arbeitet. Dies kann bei der Stromwendung noch Schwierigkeiten
machen. Wenn man mit einem kleineren Strom, z. B. I3 in Abb. 6, arbeiten will, so
genügt es, die Wicklung d von der Hilfserregermaschine f
abzuschalten
und statt dessen mit konstanter Spannung zu speisen, sobald man im Punkte 7a2, der
der Stromstärke I3 entspricht, angekommen ist. Die Drehzahl des Motors steigt dann
von % auf p2 unter konstanter Stromstärke. In gleicher Weise geht man auf der Strecke
q1 r1 vor, indem man die Wicklung d im Punkte q2 abschaltet.
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Der gesamte Anlaßvorgang kann sich unter Benutzung geeigneter Strom-
oder Spannungsrelais vollkommen selbsttätig von Anfang bis zu Ende vollziehen.
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Die beschriebene Anordnung kann auch für einen oder zwei Motoren Verwendung
finden. Im Falle eines einzigen Motors kann man diesen mit einem oder zwei Kollektoren
versehen.
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Die gleiche Wirkungsweise wie bei der beschriebenen Anordnung kann
auch dann erzielt werden, wenn man die Hilfserregermäschine f auf die Nebenschlußwicklung
der Haupterregermaschine E einwirken läßt.