DE623955C - Abwechselnd als Motor und als Generator laufende Gleichstrom-Hauptstrom-Maschine - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBENAM 9. JANUAR 1936

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

M 623955 KLASSE 2Id¹ GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 24. Februar 1934 ab

Von dem Bau der Hochspannungs-Gleichstrom-Maschinen her ist die Tatsache bekannt, daß Gleichstromgeneratoren mit mehr als zwei Polen und Hauptstromschaltung in der einen Drehrichtung stärker zu Kollektorüberschlägen neigen als in der anderen, sofern diese Maschinen weniger Bürsten besitzen, als ihrer Polzahl entspricht. Diese Erscheinung ist in der verschiedenen Länge des Weges begründet, den ein solcher Überschlag zwischen zwei Bürsten in der einen und anderen Drehrichtung zurücklegen muß.

In der Abb. 1 ist eine normale vierpolige Gleichstrom-Hauptstrom-Maschine mit Wendepolen dargestellt. Sie besitzt, wie¹ es z. B. auch bei Bahnmotoren die Regel ist, nur zwei Bürsten A und B. Die anderen beiden diametral gegenüberliegenden Bürsten sind aus Gründen der baulichen Vereinfachung oder wegen der schlechten Zugänglichkeit (etwa bei Bahnen) fortgelassen. Die Erfahrung· lehrt, daß solche Maschinen, sofern sie als Generator laufen, in der mit dem Pfeil r bezeichneten Drehrichtung' leichter zu Über- schlagen neigen als in der anderen Drehrichtung entsprechend dem Pfeil s. Voraussetzung ist hierbei, daß die Maschine gemäß Abb. ι geschaltet ist. Die Bürstet bildet den Minuspol und die Bürste I? den Pluspol.

L ist der von der Maschine gespeiste Verbraucher, α ist der Anker, f die Erregerwicklung und -w die Wendepolwicklung der Maschine. ......

Die beiden Wege längs des Kollektorumfanges, die einem Bürstenüberschlag zur Verfügung stehen, sind mit I und II bezeichnet. Der Weg II ist dreimal so lang wie der Weg I. Er enthält annähernd an der Stelle K, an der gegenüber der Bürste A eine weitere Bürste angeordnet werden könnte, eine neutrale Zone, welche zur Löschung eines zwischen zwei Lamellen bestehenden Lichtbogens beiträgt. Ein Überschlag zwischen den Bürsten A und B längs des Weges II kann daher kaum zustande kommen, weil der Lichtbogen an der der Bürste^! diametral gegenüberliegenden Stelle K des Kollektors zum Verlöschen gebracht, wird.

Der Weg I enthält keine solche neutrale Zone und ist außerdem bedeutend kürzer,, so daß für ihn die Wahrscheinlichkeit eines vollständigen Überschlages zwischen den Bürsten^ und B bedeutend größer ist als für den Weg II.

Von der Elektronentheorie her ist es bekannt, daß ein Lichtbogen stets vom. nega- ^: tiven Pol, d.i. der Kathode, ausgeht. Bedingung ist hierbei, daß die Kathode eine so

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dr.-Ing. Walter Volkers in Berlin-Wilmersdorf.

023955

hohe Temperatur besitzt, daß sie genügend Elektronen zur Ionisierung· der EntLadungsstrecke aussendet. Die Temperatur der Anode ist dagegen auf das Zustandekommen des Lichtbogens praktisch ohne Einfluß.

Stellt man sich nun vor, daß beide Bürsten A und B im Betrieb hüpfen, und betrachtet man einen Augenblick, in dem jede von ihnen ein gewisses Stück vom'Kollektor ab-

XO gehoben ist, so hat man zwei Lichtbögen zwischen Kohle und Kollektor vor sich, von denen naturgemäß jeder eine Kathode und eine Anode besitzt. Bei dem Lichtbogen unter der Bürste!? bildet die Bürstenkohle die Kathode· und die gegenüberliegende Lamelle; die Anode, während bei dem Lichtbogen unter der Bürste A die Kathode durch die .Kommutatorlamelle und die Anode durch.

die Bürstenkohle verkörpert wird. Die Kathode des Lichtbogens bei B < steht demnach still, während, die Kathode des» anderen Lichtbogens, mit dem Kommutator wandert. Die letztere ist also die für den Betrieb= gefährlichere;,, denn sie·, wird durch die Gleitbewegung zwischen Kohle und Kollektor nicht gekühlt,, was bei der anderen- Kathode (Bürste i?) der Fall ist. Hieraus erklärt sich auch die aus der Praxis bekannte Erscheinung, daß bei einem Gleichstromgenerator der Überschlag stets von der Minus.' bürste ausgeht.

Beim Matorbetrieh Eegen die Vefhiältnisisiq umgekehrt. Hier hat man (bei unveränderter Polarität der Burster«) in beiden, Lichtbogen zwischen- Bürste und Lamelle die entgegengesetzte? Stromrichtung wie beim GeneratorbetrieK Infolgedessen-geht jetzt ejn Kollek,-torüberschlag von. demjenigen Lichtbogen zwischen Bürste, und Lamelle aus» der beim Generatorbetrieb, der weniger gefährlichere war„ d,h. er bildet, sich an der Plusbürste·,

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es bei abwechselnd als Motor und als Generator lauf enden-Gleichstrom-Hauptstrom·* Maschinen mit weniger Bürsten; als Pole« zweckmäßig, ist* bei der Wahl der Bürstenanschlüsse; die? für den, Generatorbetrieb günstigere Schaltung zugrunde zu. legen. Diese Maßnahme ergibt sich* aus der Tatsache, daß

5Q. bei solchen; Maschinen die Ankerspannung, und damit auch die. Lamellenspannung; beim Bremsen. (Generatofwirkung); größer ist alsbeim Fahren (MotOEwirkung).

Betrachtet man als Beispiel eines Betriebes

55, mit HauptstrommotoreUj die abwechselnd zum Fahren und Bremsen benutzt werden, eine Straßenhahn mit 50Q Volt Fahrdrahtspannung, so können an den Motorbürste!! während des Fahrens niemals höhere Spannungen als 500 Volt auftreten. Während des Anlassens steigt die Spannung an· den Motor-Klemmen allmäHiclh von NuE Ms auf 500 Volt und bleibt auf diesem Wert, nachdem der Führer die Anlasserkurbel in die höchste Fahrstellung gedreht hat. Für die Leistung N der Bahnmotoren gelten hierbei, abgesehen vom Wirkungsgrad, die folgenden Beziehungen:

i. N = B·· I, worin E die konstante Spannung von 500 Volt und / den Motorstrom bedeutet.

2f. N=V-Z, wobei V die Geschwindigkeit und Z die Motorzugkraft ist.

Da ferner die Zugkraft Z annähernd dem Strom J proportional ist, läßt sich auch schreiben:

3, N = k-V-J.

Sofern nach Beendigung des .Anlassens die Zugkraft der Motoren größer als die Bewegungswiderstände des Fahrzeuges ist — beispielsweise bei der Fahrt in der Ebene —, steigt die Geschwindigkeit weiter an. Infolgedessen erhöht sich, auch die Gegen-EMK der Motoranker, d. h. der Strom / sinkt. Weil aber B konstant ist, muß sich auch N vermindem. Mit wachsender Fahrgeschwindigkeit sinkt also die Motorleistung N=V-Z. Da V langsam wächst, muß Z in entsprechendem verstärktem Maße zurückgehen, damit das Produkt N bei wachsendem V kleiner wird.

'Die. Motoren: des Straßenbahnwagens entwickeln demnach beim Fahren nach Beendigung des Anlassens eine kleiner und kleiner werdende Zugkraft, während die Geschwindigkeit steigt, '

Beim Bremsen- wird dagegen von den Motoren auch bei hohen. Geschwindigkeiten eine große Zugkraft verlangt, die im allgemeinen mindestens ebenso- gro,ß sein muß wie die Anfahrzugkraft vor Beendigung des Anlassens. Aus der Gleichung N ^=V · Z folgt aber, daß beim Bremse» im Bereiche hoher Fahrgeschwindigkeiten die Motorleistung größer sein muß, als wenn die Motoren bei denselben hohen Geschwindigkeiten im Fahrbetrieb am Netz liegen. Aus der anderen Beziehung N == B' J ergibt sich ferner, daß diese erhöhte Leistung au*· auf Kosten einer ,Steigerung der- Spannung £ möglich ist, wenn man sich gleichzeitig noch vor Augen hält, daß sich die Zugkraft Z annähernd proportional mit dem Strom/ ändert« Behält man daher beim! Bremsen dasselbe / bei wie während des Anlassens, so/ wächst die beim Kurzsehlußbremsen erzeugte Ankerspannung auf einen Wert, der- um so· viel größer als die Netzspannung ist, als die beim Einsetzen der Bremsen vorhandene Fahrgeschwindigkeit über der Geschwindigkeit im Augenblick der Beendigung des Anlassens liegt.

Das Anlassen möge -beispielsweise bei 15 km/h Tjeendet worden sein, während die

023055

Zugkraft jedes Motors in diesem Augenblick ioookg betrug. Bremst der Führer einige Zeit später aus einer Geschwindigkeit von 45 km/h mit ebenfalls iooo kg je Motor ab, so ist die Motorleistung dreimal größer als im zuerst betrachteten Augenblick und infolgedessen auch die Ankerspannung, d. h. die letztere steigt auf 1500 Volt.
Die Gefahr eines Burstenubersciilages- ist

to demnach beim Bremsen wesentlich größer als . beim Fahren.

Die Erfindung besteht nun in der Nutzanwendung dieser Erkenntnis in der Weise, daß bei einem Fahrzeug mit Gleichstrom-Hauptschluß-Maschinen, die abwechselnd zum Antrieb und Bremsen benutzt werden, unter den beiden möglichen Schaltungen der Anker und Felder bei allen Maschinen diejenige Schaltung gewählt wird, welche die in bezug auf Burstenuberschlage für das Kurzschlußbremsen günstigere Polarität besitzt. Diese Schaltung ergibt sich, wie gezeigt wurde, wenn man dafür sorgt, daß in der Drehrichtung des Kollektors der größere Weg von der Minusbürste zur Plttsbürste vorhanden ist.

Beim Fahrbetrieb kann dann entweder die ungünstigere Schaltung beibehalten werden oder aber, wie im folgenden weiter gezeigt werden soll, durch Anordnung von zusätzliehen Bürsten am Kollektor dafür gesorgt werden, daß sowohl beim Bremsen als auch beim Fahren die günstigere Bürstenschaltung besteht. Man rüstet zu diesem Zweck beispielsweise den normalen vierpoligen Bahnmotor, der sonst nur zwei Bürsten besitzt, mit einer dritten Bürste aus und legt die vom Fahrschalter kommenden Ankerkabel jeweils an zwei verschiedene von diesen drei Bürsten, je nachdem ob der Motor zum Bremsen oder zum Fahren benutzt wird.

In Abb. 2 ist ein solcher Motor im Bremsbetrieb und in Abb. 3 im Fahrbetrieb dargestellt.

Abb. 2 entspricht bezüglich Drehrichtung, Bürstenpolarität usw. vollkommen der Abb. 1 ; sie unterscheidet sich von dieser nur durch eine Zusatzbürste A_n die diametral gegenüber der Bursters auf dem Kommutator angeordnet ist, jedoch keinen Anschluß besitzt.

Wie schon an Hand von Abb. 1 gezeigt wurde, ergibt sich beim Bremsen in der Drehrichtung s und der angegebenen Polarität der Bürsten A_s und B die günstigere Schaltung bezüglich der Überschlagsgefahr, weil der Weg II von der Minusbürste A_s bis zur Plusbürste B drei Viertel des Kollektorumfangesbeträgt.

Da beim Fahrbetrieb der Überschlag von der Plusbürste und nicht von der Minusbürste ausgeht, ist in Abb. 3 das Erdkabel G nicht an die BürsteA₈, sondern an die

angeschlossen. Dadurch kommt auch beim Fahren zwischen den Bürsten B und A₁. ein Gesamtweg IF von drei Viertel des KoI-lektorumfanges zustande, den der Überschlag von der Plus- zur Minusbürste zurücklegen müßte.

Ein besonderes Problem bezüglich Wahl der richtigen Bürstenschaltung bilden die mehrmotorigen Triebausrüstungen, wie sie beispielsweise bei Straßenbahnwagen mit Tatzenlagermotoren ausgeführt werden. Im allgemeinen werden beispielsweise bei zweimotorigen Ausrüstungen die beiden Motoren M/ und M/i spiegelbildlich zueinander angeordnet, wie Abb. 4 zeigt. Infolgedessen drehen sich auch die beiden Motoranker in entgegengesetzten Drehrichtungen, wenn man jeden von ilunen von einer bestimmten Seite, z. B. der Kommutatorseite, betrachtet.

Wie aus dem Kabelverlegungsplan in Abb. 4 hervorgeht, werden von jedem Motor die beiden Ankerkabiel A und B und die beiden Feldkabel E und F zu jedem der beiden Fahrschalter F, und F_n geführt. Sie werden zunächst bei einem, z. B. dem Fahrschalter F₁, an die dort angegebenen Klemmen A₁, B₁ (Anker des Motors M₁), A₂, B₂ (Anker des Motors M₁₁), F₁, E₁ (Feld des Motors M₁) und F₂, E₂ (Feld des Motors M₁₁) ange- go schlossen. Nachdem dieses geschehen ist, stellt man durch Probieren fest, ob sich beide Motoren in der richtigen Drehrichtung drehen, wenn der Fahrschalter auf »Vorwärts« gestellt wird. Ist dieses nicht der Fall, so vertauscht man entweder je zwei Anker- oder je zwei Feldkabel miteinander. Das gleiche wiederholt sich am Fahrschalter F_n. Bisher war es bei Straßenbahnen nicht üblich, planmäßig mit Rücksicht auf die Bürstenschaltung im Sinne der vorherigen Ausführungen die Anschlüsse der Motorkabel an den Fahrschalter herzustellen. Man hat vielmehr es dem Zufall überlassen, ob die Bürstenschaltung günstig oder ungünstig ist, da die Zusammenhänge zwischen der Bürstenpolarität und dem Fahr- und Bremsbetrieb bisher nicht bekannt waren.

Da ein Hauptstrommotor seine Drehrichtung nicht ändert, wenn man Anker und Feld gleichzeitig umpolt, ist es ohne weiteres möglich, in dem Schaltschema der Abb. 4 die Motorkabel so an die beiden Fahrschalter anzuschließen, daß jeder der beiden Motoren beim Kurzschlußbremsen die günstigere Bürstenschaltung besitzt. Die richtigen Anschlüsse sind durch die stark ausgezogenen Linien angedeutet, während die strichpunktierten Linien andere weniger günstige Anschlußmöglichkeiten angeben, wie sie beispielsweise bisher auf Grund des Zufalles gewählt wurden.

Sofern die Motoren riiit der erwähnten Zusatzbürste ausgerüstet werden, müssen selbstverständlich die Fahrschalter noch besondere Finger erhalten, durch welche die wahlweise Umschaltung¹ von der Falifbürste auf die Bremsbürste bewirkt wird.

Claims (4)

1. Patentansprüche:
2. i. Abwechselnd als Motor und als Generator laufende Gleichstrom -Hauptstrom-Mas'chine mit wiendiger Bürsten als Polen, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld der Maschine derart an den Anker angeschlossen ist, daß, beim Generatorbetrieb in der Drehrichtung der Maschine auf dem ■ Kollektorumfang gemessen, die Entfernung von der Minusbürste bis zur Plusbürste größer ist als die Entfernung von der Plusbürste bis zur Minusbürste.
   '· 2. Gleichstrom-Hauptstrom-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Zusatzbürsten vorgesehen sind, die bei Motorbetrieb ganz oder teilweise an Stelle der Hauptbürsten benutzt werden.
3. 3. Gleichstrom-Hauptstrom-Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzbürsten so angeordnet sind, daß, in der Drehrichtung auf dem Kollektorumfang gemessen, die Entfernung von der Plusbürste bis zur Minusbürste größer ist als die Entfernung von der. Minusbürste bis zur Plusbürste.
4. 4. Gleichstrom-Hauptstrom-Maschine nach Anspruch 1 für mehrmotorige Antriebe, insbesondere solche, bei denen sich die Anker in verschiedenen Richtungen drehen, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld einer jeden Maschine so ;m den Anker angeschlossen ist, daß, beim Motorbetrieb in der Drehrichtung auf dem Kollektorumfang gemessen, die Entfernung von der Minusbürste bis zur Plusbürste größer ist als die Entfernung von der Plusbürste bis zur Minusbürste.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen