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Elektrischer Antrieb einer Arbeitsmaschine mit konstanter Drehzahl
und Belastung durch einen Gleichstrommotor Die Erfindung bezieht sich auf den elektrischen
Antrieb einer Arbeitsmaschine mit im wesentlichen konstanter Drehzahl und konstanter
Belastung durch einen Gleichstrommotor, der von einem mit veränderlicher Drehzahl
angetriebenen Gleichstromgenerator gespeist wird. Ein solcher Fall liegt beispielsweise
vor bei dem Antrieb des Kompressors einer Kältemaschine von der Achse eines Eisenbahnwagens
aus. Der von der Achse angetriebene Generator wird dabei mit veränderlicher Drehzahl
angetrieben, während es für die Wirkungsweise der Kälteinaschine erwünscht ist,
die Drehzahl des Antriebselektromotors möglichst konstant zu halten. Das Verhältnis
zwischen der niedrigsten und der höchsten Drehzahl der Achsen von Eisenbahnwagen
ist ungefähr z : 5. Etwa innerhalb dieses Schwankungsbereiches der Antriebsdrehzahl
ist eine Konstanthaltung der Drehzahl des Arbeitsmotors erwünscht.
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Die elektrische Übertragung hat für derartige Antriebe gegenüber den
mechanischen gewisse Vorteile. Aber auch bei der elektrischen Übertragung entstehen
infolge der großen Schwankungen der Antriebsdrehzahl des Generators gewisse Schwierigkeiten,
weil die Schwankungen der Generatorspannung zu groß werden. Diese Schwankungen der
Generatorspannung würden zu große Schwankungen in der Drehzahl des Arbeitsmotors
verursachen. Da aber die üblichen elektrischen und mechanischen Mittel zur Regelung
der Generatorspannung meist zu verwickelt und zu kostspielig sind, ist für derartige
Antriebe die Verwendung eines üblichen Generators und eines üblichen Arbeitselektromotors
nicht zufriedenstellend.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung eines derartigen Antriebes ist durch
einen Generator, dessen Spannung im normalen Arbeitsbereich mit der Drehzahl und
mit dem Strom steigt, und einen Motor gekennzeichnet, dessen Strom sich umgekehrt
wie die ihm zugeführte Spannung ändert. Als Generator findet eine Gleichstromreihenschlußmaschine
Verwendung, die über einen verhältnismäßig großen Drehzahlbereich in ungesättigtem
Zustand arbeitet. Durch diesen Generator wird ein Gleichstromverbundmotor mit vorwiegendem
Nebenschlußverhalten gespeist, der ebenfalls normalerweise in ungesättigtem Zustand
arbeitet.
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Wird ein solcher Motor durch einen Reihenschlußgenerator gespeist,
so hat ein Wachsen der Generatorspannung bei Drehzahlsteigerung
ein
Sinken des Stromes zur Folge. Bei, verringert sich wiederum die Erregung des Generators,
so daß die Spannungssteigerung begrenzt wird. Der Arbeitsmotor läuft zwar mit konstanter
Drehzahl nur in einem beschränkten Bereich der angewandten Spannung. Infolge der
Gegenwirkung zwischen Generator und Motor wird aber durch einen größeren Drehzahlschwankungsbereich
des Generators der Schwankungsbereich der Spannung nicht wesentlich erhöht, so daß
der Motor trotz großer Drehzahlschwankung des Generators im wesentlichen- mit konstanter
Drehzahl laufen wird.
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Diese elektrische Übertragung hat den Vorteil äußerster Einfachheit
und Zuverlässigkeit.
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Weitere Einzelheiten der- Erfindung sind im nachfolgenden beschrieben.
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Die Zeichnung veranschaulicht zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Abb. i zeigt ein Schaltbild des elektrischen Antriebes gemäß der Erfindung;
Abb.2 zeigt die Drehzahl des Arbeitsmotors in Abhängigkeit von der Drehzahl des
Generators; Abb. 3 zeigt das Schaltbild eine9 weiteren Ausführungsbeispiels des
Antriebes gemäß der Erfindung.
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Bei dem Antrieb nach Abb. i wird ein Gleichstromreihenschlußgenerator
i mit veränderlicher Drehzahl angetrieben, beispielsweise von dem Rad 2 eines Eisenbahnfahrzeuges,
wobei der Einfachheit halber der Läufer des Generators auf der Radachse 3 sitzt.
Der Generator besitzt eine Reihenfeldwicklung q., die unmittelbar im Stromkreis
des Arbeitsmotors 6 liegen könnte, die aber bei dem dargestellten Beispiel mit dem
Motor über eine Wheatstone-Brücke 5 verbunden ist, welche aus vier Gleichrichtern,
vorzugsweise Kupferoxydgleichrichtern, besteht. Bei dieser Schaltung ist die Polarität
des Generators unabhängig von seiner Drehrichtung, da der Strom durch die Reihenfeldwicklung
4 stets in derselben Richtung unabhängig von der Polung des Läufers i fließt. An
Stelle der erwähnten Wheatstoneschen Brücke - können auch andere Mittel benutzt
werden, um die Polarität der Spannung des Generators unabhängig von seinem Drehsinn
zu sichern, beispielsweise irgendwelche mechanische Mittel, um den Drehsinn des
Generatorläufers stets beizubehalten, unabhängig von dem Drehsinn des Antriebsorgans.
Es könnten auch durch Reibung betätigte verstellbare Joche für den Generator benutzt
werden oder andere ähnliche Mittel. Der Generator i wird vorzugsweise in seinem
üblichen Arbeitsbereich in ungesättigtem Zustande betrieben, damit seine Bürstenspannung
gegenüber Veränderungen in der Erregung genügend empfindlich ist.
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Der Arbeitsmotor 6 kann ein einfacher Gleichstromverbundmotor sein,
der vorzugsweise so dimensioniert ist und eine solche Charakteristik besitzt, daß
er über einen gegebenen Bereich der Spannung in ungesättigtem Zustande arbeiten
kann. Ein solcher Motor ist stets bestrebt, bei konstanter Last in einem gegebenen
Spannungsbereich mit im wesentlichen konstanter Drehzahl zu laufen. Das kommt daher,
daß bis zur Sättigung des Magnetfeldes des Motors sein Magnetfluß sich zu der Spannung
im wesentlichen linear verhält, so daß der Magnetfluß steigt, wenn die Spannung
wächst, wobei die gegenelektromotorische Kraft des Motors in im wesentlichen gleichem
Verhältnis steigt wie die angewandte Spannung und so einer Drehzahländerung vorgebeugt
wird. Es sei noch bemerkt, daß diese Erklärung nur eine angenäherte ist und daß
die Ankerrückwirkung und das Sinken des Läuferwiderstandes gewisse Fehler verursachen
können.
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Vorzugsweise kommt aber für die Erfindung ein Arbeitsmotor mit besonderen
Mitteln zur Kompensation der Sättigungswirkung in Frage. Ein solcher Motor ist bestrebt,
über einen Spannungsbereich mit im wesentlichen konstanter Drehzahl zu laufen, der
durch die magnetische Sättigung begrenzt ist. Bei einem solchen Motor wird in Reihe
mit seiner Nebenschlußwicklung ein Widerstandselement geschaltet, das eine negative
Widerstandsstromcharakteristik hat. Ein derartiges Element, beispielsweise ein Kohlensäulenregler,
verringert seinen elektrischen Widerstand mit wachsendem Strom. Durch richtige Bemessung
dieses Widerstandes kann der Strom in der Nebenschlußwicklung derart mit der Spannung
gesteigert werden, daß der Magnetfluß im Arbeitsmotor im wesentlichen proportional
der angewandten Spannung wird, auch wenn die magnetische Sättigung im Motor verhältnismäßig
hoch ist.
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Das Widerstandselement 7 ist nach Abb. i in Reihe mit der Nebenschlußwicklung
ä des Motors 6 geschaltet. Ein solches aus Kohle, Silit oder einem ähnlichen Stoff
bzw. einer Mischung dieser Stoffe bestehendes Widerstandselement kann in bekannter
Weise so hergestellt werden, däß es die Eigenschaft hat, seinen elektrischen Widerstand
exponentialartig bei Steigerung der- Stromdichte zu verringern, wobei die Verringerung
im wesentlichen unabhängig von seinen Temperaturveränderungen vor sich geht.
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Vorzugsweise erhält der Arbeitsmotor 6 eine verhältnismäßig schwache
Reihenfeldwicklung 9, die die Aufgabe hat, den Motor zu schützen, und zwar beim
Anlassen und
wenn der Generator mit verhältnismäßig geringer Drehzahl
arbeitet. Der Arbeitsmotor 6 ist somit ein besonderer Gleichstromverbundmotor finit
einem vorherrschenden Nebenschlußfeld und einem verhältnismäßig schwachen Reihenfeld.
In dem in Abb. i veranschaulichten Beispiel ti#eibt der Arbeitsmotor 6 beispielsweise
einen Kompressor io für eine Kältemaschine an.
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Die Wirkungsweise des Antriebes nach Abb. i ist die folgende: Das
Fahrzeugrad 2 erhöhe beim Anfahren seine Drehzahl. Zugleich beginnt der Generator
i infolge des restlichen Magnetismus Spannung zu entwickeln. Da der Widerstand in
dem Kreis einschließlich des Ankers des Arbeitsmotors 6 und seiner Reihenfeldwicklung
g verhältnismäßig gering ist, so entsteht ein verhältnismäßig hoher Strom, wodurch
die Erregung gesteigert wird, also auch die Spannung des Reihenschlußgenerators
i. Wäre die Reihenfeldwicklung 9 nicht vorhanden und würde diese geringe Drehzahl
beibehalten werden, so könnte der hohe Strom und die hohe Spannung des Reihenschlußgenerators
i den Arbeitsmotor 6 beschädigen oder sogar durchbrennen, weil der Motoranker die
Nebenschlußwicklung kurzschließt und dadurch ein Anlaufen des Arbeitsmotors verhindert.
Die Reihenfeldwicklung 9 liefert jedoch den erforderlichen Magnetfluß zum Anlassen
des Arbeitsmotors und zur Entwicklung der gegenelektromotorischen Kraft. Nachdem
der Motor 6 angelaufen und seine gegenelektromotorische Kraft entstanden ist, steigert
die Nebenschlußfeldwicklung 8 allmählich ihre Wirkung, bis sie bei voller Drehzahl
die Erregung des Motors vorwiegend übernimmt. Sobald die gegenelektromotorische
Kraft des Motors 6 einen bestimmten merklichen Wert erreicht, sinkt der Strom durch
die Reihenschlußwicklung des Generators, wodurch die Spannung des Generators zum
Sinken gebracht wird. Bei einer gewissen Geschwindigkeit, die beispielsweise einer
Drehzahl. des Fahrzeugrades 2 bei einer Fahrgeschwindigkeit von etwa 2o km/h eines
Güterwagens entspricht, wird ein Gleichgewichtszustand erreicht, bei dem der Arbeitsmötor
6 bei einer im wesentlichen normalen Drehzahl und normaler Leistung arbeitet. Steigt
die Drehzahl des Rades :2 und damit die des Generators i, so steigt auch die Spannung.
Infolge der mit der Spannung wachsenden gegenelektromotorischen Kraft des Motors
6 muß dann der Strom in dem Reihenstromkreis einschließlich des Motors sinken. Hierdurch
wird die durch die Geschwindigkeitssteigerung verursachte Steigerung der Spannung
des Generators i verringert oder aufgehalten. Auf diese Weise ist es möglich, über
einen weiten Bereich der. Generatordrehzahl ein zuverlässiges Arbeiten- zu erzielen.
Die besondere Charakteristik dieser beiden Maschinen besteht, kurz gesagt, darin,
daß die Generatorspannung mit der Geschwindigkeit und mit der Stromstärke steigt,
während die Motordrehzahl im wesentlichen über den gegebenen Bereich der dem Motor
zugeführten Spannung konstant bleibt.
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Abb.2 zeigt den Verlauf der Drehzahlen des Motors in Abhängigkeit
von den Drehzahlen des Generators. Diese Kennlinie zeigt, daß bei einem Drehzahlbereich
von i : 5 des Generators der Drehzahlbereich des Motors nur um wenige Hundertteile
nach oben oder unten von der Durchschnittsdrehzahl des Motors abweicht. Der Drehzahlabfall
auf der linken Seite der Kennlinie zeigt, wie die Reihenwicklung des Motors bei
geringen Generatorgeschwindigkeiten die Motorgeschwindigkeit niedrig hält.
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Dem Antrieb gemäß dem Schaltbild nach Abb.3 liegt folgender Gedankengang
zugrunde: Bei Steigerung der Drehzahl des Generators sinkt der gesamte Strom für
den Arbeitsmotor beträchtlich. Der Motorankerstrom sinkt jedoch wesentlich stärker
als der Gesamtmotorstrom, weil das Widerstandselement die Stromaufnahme des Nebenschlußkreises
bei steigender Spannung exponentialartig erhöht. Der die Generatorspannung beeinflussende
Rückgang des Motorstromes ist also bei der Schaltung nach Abb. i geringer, als es
der tatsächlichen Zunahme der gegenelektromotorischen Kraft des Motors entspricht.
Demzufolge ist auch der Spannungs- bzw. Drehzahlbereich des Generators, in dem der
Motor mit konstanter Drehzahl arbeitet, kleiner.
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Eine weitere Einzelheit der Erfindung besteht nun in einer solchen
Verbindung des Motors mit dem Generator, daß nur der Ankerstrom des Motors durch
die Reihenwicklung des Generators fließt, während der Strom für den Nebenschlußfeldwicklungskreis
des Motors nur durch den Generatoranker fließt. Auf diese Weise kann der Ärbeitsmotor
über einen wesentlich größeren Bereich der Generatordrehzahlen mit konstanter Drehzahl
arbeiten.
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In Abb.3 ist wiederum 2 das Antriebsorgan für den Generator, beispielsweise
das Rad eines Schienenfahrzeuges. Auch hier sei der Geschwindigkeitsbereich etwa
i : 5. Auf der Achse 3 des Rades sitzt der Anker des Gleichstromreihenschlußgenerators
i, der eine Reihenfeldwicklung 4 besitzt. Diese Feldwicklung ist mit dem Ankerkreis
des Generator s 'i über Doppelweggleichrichter i i verbunden, damit die Spannungserzeugung
des Generators unabhängig von seiner Drehrichtung
bleibt. Es empfiehlt
sich, ist aber nicht notwendig, den Generator mit Kohlenstofstahlfeldpolen auszurüsten,
damit ein genügend starker restlicher Magnetismus vorhanden ist, der nicht so leicht
zufällig umgekehrt werden kann. Der Generator i kann nötigenfalls auch mit einer
Wendepotwicklung i9 versehen sein.
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In Reihe mit dem Anker und der Reihenfeldwicklung des Generators i
ist der Anker des Gleichstrommotors 6 geschaltet, welcher beispielsweise den Kompressor
io- einer Kältemaschine unmittelbar antreibt. Der Motor 6 erhält vorzugsweise eine
verhältnismäßig schwache Reihenfeldwicklung 9, die ein genügend starkes Feld erzeugt,
so daß der, Motor 6 auch bei niedriger Spannung des Generators i anlaufen kann,
d. h. wenn der Generator eben in Betrieb gesetzt worden ist.
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Der Motor 6 besitzt ferner eine Nebenschlußfeldwicklung 8, mit awelcher
in Reihe ein Widerstandselement 7 mit einer negativen Widerstandsstromcharakteristik
geschaltet ist. Der Kreis einschließlich der Nebenschlußwicklung 8 und des Widerstandselements
7 ist über den Anker des Generators i geschlossen, so daß der Strom dieses Kreises
nicht durch die Reihenfeldwicklung 4 des Generators fließt Der Teil des Motorstromes,
welcher mit steigender Spannung wächst, d. h. der Strom für die Nebenschlußfeldwicklung
8 und das Widerstandselement 7, fließt nicht durch die Reihenfeldwicklung 4 des
Generators und kann daher nicht zur Steigerung der Spannung des Generators beitragen.
Der Teil des Stromes des Motors 6, welcher mit steigender Spannung des Generators
kleiner wird, d. h: der Ankerstrom des Motors 6, fließt vollständig durch die Reihenfeldwicklung
4 des Generators. Infolgedessen wird der Drehzahlbereich des Generators, in dem
der Motor mit konstanter Drehzahl arbeitet, vergrößert, im Gegensatz zti dem Fall,
wo der Strom des Nebenschlußkreises des Motors auch durch die Reihenfeldwicklung
des Generators fließt.
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In einem Sonderfalle dieses Antriebes ist in einem Geschwindigkeitsbereich
des Generators von i : 5 der Abfall des Gesamtstromes des Motors, d. h. des Stromes
für den Anker und für die Feldwicklungskreise des Motors, 26 vH, während ider Abfall
des Ankerstromes allein 64 vH beträgt. Bei der Schaltung nach Abb. 3 werden dann
die vollen 64 vH des Abfalles zur Regelung ausgenutzt, Während bei der Schaltung
nach Abb. i, bei welcher auch der Strom des Nebenschlußkreises des Motors durch
die Feldwicklung des Generators fließen muß, nur ein Abfall von 26 vH zur Regelung
zur Verfügung steht.