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Nutzbremsschaltung für Einphasenreihenschlußmotoren, insbesondere
für elektrische Triebfahrzeuge Die Erfindung betrifft eine Nutzbremsschaltung für
Einphasenreihenschlußmotoren, insbesondere für elektrische Triebfahrzeuge, bei der
die Motorfeldwicklungen in Reihe mit einem Kondensator an eine Spanxnungsanzapfung
des Speisetransformators gelegt sind. Bei derartigen Schaltungen kann man eine günstige
Größenbemessung des Kondensators durch dessen Anschluß ran die Sekundärwicklung
eines Aufwärtstransformators erzielen, indem dadurch die phasenverschiebende Wirkung
des Kondensators mit dem Quadrat des Crbersetzungsverhältnisses des Aufwärtstransformators
erhöht wird.
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Die Erfindung bezweckt nun, bei einer solchen Nutzbremsschaltung für
Einphasenreihenschlußmotorenmitunter Benutzung eines Kondensators an eine Spannungsanzapfung
des Speisetransformators gelegten Motorfeldwicklungen und mit Anordnung eines Aufwärtstransformators
-für den Kondensator die Phasenverschiebung zwischen dem Nutzbremsstr om und der
im Anker induzierten elektromotorischen Kraft zu verbessern und damit den Leistungsfaktor
der Schaltung zu erhöhen. Zur Verkleinerung des Winkels dieser Phasenverschiebung
wird eine Voreillung des Magnetisierungsstromes gegenüber der Netz- der Transforrriatorspannung
bewirkt. Diese Voreilung braucht nur klein zu sein, um eine wesentliche Verbesserung
der Phasenverschiebung des Nutzbremsstromes herbeizuführen. Erfindungsgemäß wird
die Phasenverdrehung des Erregerstromes und die Phasenverbesserung des Nutzbremsstromes
dadurch in, vorteilhafter Weise verwirklicht; daß hierfür nicht umlaufende Hilfsmaschinen,
sondern lediglich ruhende Apparate verwendet werden. Vorzugsweise wird zu diesem
Zweck ein Kompoundierungstransformator vorgesehen, wodurch in Verbindung mit dem
an die Sekundärwicklung des Aufwärtstransformators angeschlossenen Kondensator eine
Schaltanordnung sich ergibt, bei der nicht nur das Gewicht für die Hilfsapparate
zur Nutzbremsung erheblich herabgedrückt, sondern auch ein günstige Betriebsverhältnisse
anzeigendes Vektordiagramm erzielt wird.
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Die Zeichnung veranschaulicht in Fig. i eine Nutzbremsschaltung bekannter
Ausführungsform mit Reihenschaltung eines Kondensators C zu der Feldwicklung B des
ebenso wie diese an eine Anzapfstelle des Speisetransformators D angeschlossenen
Ankers A
eines Einphasenreihenschlußmotors,und Fig. 2 zeigt das zugehörige
Vektordiagramm mit dem
Magnetisierungstrom fin, dem Nutzbreinsstrom
J, der Netzspannung E, der im Anker induzierten. elektromotorischen Kraft Eg, dem
induktiven - Spannungsabfall Ex, dem . Ohmschen Spannungsabfall Er rund Phasenwinkel
cp der Ströme Jm und J. Der Magnetisierungsstrom fin ist in Phase mit der
Netzspannung E und mit der im Anker induzierten elektro= motorischen Kraft Eg: Wenn
Eg größer als E ist, so stellt sich Nutzbremsung ein, wobei die Phaseillage des
Nutzbremsstromes J durch das Verhältnis des induktiven Spannungsabfalles
Ex im Ankerkreis zum Ohmschen Abfall Er im Ankerkreis gegeben ist. Der Nützbremsstrom
J eilt der Netzspannung E um den Winkel (p nach, d. h. der nutzbremsexide Generator
nimmt voreilenden Strom auf bzw. gibt nacheilenden Strom ab, was an und für sich
erwünscht ist. Da bei Einphasenmotoren trotz einer Kompensationswicklung die Spannung
Ex an Größe, die Spannung Er wesentlich überschreitet, so ist der
cos cp nach Fig. 2 klein. Um daher ein bestimmtes Bremsmoment auszuüben, das bei
gegebener Drehzahl dem ProduktJ # Eg .cos cp proportional ist, müssen bei Verwendung
der bekannten Schaltung nach Fig. i der AxikerstromJ und der Erregerstrom Jm verhältnismäßig
groß gewählt werden. Beide Ströme sind durch die elektrischen Beanspruchungen der
betreffenden Wicklungen begrenzt, und außerdem bedingt eine größere Erregerstromstärke
grbßere Kondensatoren und ungünstige Koinmutie-- xungsverhältnisse.
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Bei der Schaltung nach. Fig. 3 ist nun eine Verringerung der Phasenverschiebung
des Nutzbremsstromes gegenüber der Spannung durch Anordnung eines Komp,oundierun.gstransformators
erreicht. - Durch einen solchen Transformator, dessen, Benutzung bei N utzbremsschaltumgen
.an sich für andere Zwecke bekannt ist,- wird gleichzeitig der weitere Vorteil-erreicht,.
daß der Nebenschlußcharakter der Schaltung mit Fremderregung in einen Kompoundcharakter
verwandelt und die Charakteristik der Bremsschaltung derart abgeändert wird, daß
ein wesentlich weicheres Verhalten bei Spannungsschwankungen sowie geringere Stromstöße
beim überschalten von einer Stufe zur anderen auftreten.
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-.Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Nutzbremsschaltung
mit Kompo-undierungstransfiormator ist -der Einfachheit halbes der Aufwärtstransformator
für den Kondensator C nicht dargestellt, der hier einfach in den Stromkreis der
Möborfeldwiclclung B - eingeschaltet ist. - Die- Primärwickllmg Ei des Kornpoundierungstransformators
liegt in Reihe mit dem an eine- Anzapfstelle des Speisetransformators D angeschlossenen
Motoranker- A, während . die Sekundärwick-Jung E2 derart in Reihe init der Motorfeldwicklung
B geschaltet ist, daß der im Stromkreis des Ankers A fließende Nutzbremsstrom die
der Magnetwickliung zugeführte Spannung des Speisetransformators D im wesentlichen
zu vermindern, sucht. Wie das dieser Schaltung entsprechende Vektordiagramm der
Fig. 4. zeigt, setzt sich die der Magnetwicklung zugeführte 'Spannung aus zwei Komponenten,
' der der Netzspannung entsprechenden Spannung E und der transformatorisch in der
Wicklung E2 induzierten Spannung Et, zusammen, rund diese beiden Komponenten
geben die resultierende SpannungEm, mit welcher der Magnetisierungsstrom Jin und
damit auch das Hauptfeld phasengleich ist. Die Spannung EL ist in der Phase entgegengesetzt
gleich dem Nutzbremsstrom J. Die Nutzbremsspannung Eg hat die eingezeichxiete Richtung,
und es ergibt sich ähnlich wie bei Fig.2 Größe und Richtung des Nutzbremsstoßes
J. Wie ein Vergleich der Vektordiagramme -der Fig. 2 und q. erkennen läßt, ist nicht
nur der äußere Phasenwinkel cp, sondern auch der innere Phasenwinkel e@ kleiner
als bei der Schaltung nach Fig, i, da die Spannung Et im wesentlichen wie
eine Vergrößerung des Ohmschen Spannungsabfalles Er wirkt. Infolgedessen sind geringe
Ströme bei gleichem Bremsmoment und gleicher Geschwindigkeit erforderlich.
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,Außer mit Hilfe eines Kompoun.dierun,gstransfolmators kann eine Voreilung
des Magnetisierungsstromes gegenüber der. Netzspan.-nung .auch in anderer Weise
ohne Verwendung umlaufender Hilfsmaschinen erzielt werden. Beispielsweise kann zu
diesem Zweck die Speisung des Erregerstromkreises des Motors statt !unmittelbar
vom Haupttransformator aus gemäß Fig. 5 in der Weise erfolgen, daß von einem an
den Transformator D angeschlossenen Ohmschen Widerstand r' zwei Zweigströme ausgehen,
von denen der eine; Jm, die FeldwicklungB des am TransformatorD liegenden Einphasenreihenschlußmotors
A speist und der andere, Jd, über eine Wicklung H von entsprechend großer Induktivität
fließt und gegenüber dem Erregerstrom Jtn wenigstens um ungefähr 9o° nacheilt. In
Reihe mit der Feldwicklung B ist die Primärwicklung F, des - Aufwärtstransformators
geschaltet, an dessen Sekundärwicklung F2- der Kondensator C liegt. `@ " Das Vektordiagraimn
des Magnetisierungsstromes Jin der Schaltung der Pig. 5 ist aus Fig.6 zu entnehmen.
Da die Selbstinduktion der Feldwicklung B und die über den Transfoi-m-ator Fi, F2
im gleichen Kreise wirkende Kapazität des Kondensators C für die -Netzfrequenz die
Resonanzbedingungen gibt, ist der Strom Im in Phase mit der an den Klemmen
der
Indluktionswicklung H herrschenden Spannung, die durch das Produkt Jm # rtra
ge-
geben ist. Der Strom Jd in der Induktionswicklung H eilt dieser Spannung
um 90° nach. Über den Widerstandr' fließt der Summenstrom J' der Ströme Jm
und Jd. Der Spannungsabfall am Widerstandr', der durch das Produkt J' # r'
bestimmt ist, muß zur- Spannung Jnz . rm geometrisch addiert werden; um die
Spannung Ein an der Transformatoranzapfung zu erhalten. Wie ersichtlich,
eilt der Strom Jm gegenüber der Transförma.torspannungEin etwas vor, und diese Voreilung
hängt von der Größe des Stromes Jd ab.
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An die Stelle des Stromes in der Induktiönswicklung H der Fig. 5 kann
auch der Magnetisierungsstrom eines Transformators treten, von dessen Sekundärseite
der Magnetisierungsstrom des Motors abgenommen wird, der dann, wie gewünscht, gegenüber
der Primärspannung etwas in der Phase voreilt. Bekanntlich kann das Verhalten jedes
Transformators durch die Wirkungsweise eines Ersatztransformators mit dem Übersetzungsverhältnis
i : i z. B. nach Fig. 7 dargestellt und die Induktionswicklung H der -Fug. 5 als
Ersatzschema für einen auf dieses Übersetzungsverhältnis gebrachten Transformator
aufgefaßt werden. Gemäß Fig.7 setzt sieh der zufließende Gesamtstrom J' geometrisch
aus dem Belastungsstrom J des Transformators und dessen Magnetisierungsstromlm zusammen.
Der Magnetisierungsstrom Jm des Transformators wirkt genau so wie eine Induktionsspule,
die zu einem ideellen Transformator mit vernachlässigbar kleinem oder Null betragenden.
Magnetisierungsstrom parallel geschaltet ist, und seine Größe ergibt sich aus den
Abmessungen des magnetischen Kreises des Transformators. Er entspricht dem Strom
Jd der Fig. 5 rund 6 und muß wie dieser zur Erzielung einer genügenden Phasenverschiebung
eine bestimmte Größe haben, weshalb bei dem an die Stelle der Induktionsspüle der
Fig. 5 tretenden Transformator vorteilhafterweise eines der bekannten Hilfsmittel
zur Vergrößerung des Magnetisierungsstromes, z. B. eine Erweiterung des Luftspaltes,
vorgesehen wird. Da im übrigen, die Anzapfungen des Haupttransformators der Nutzbremsschaltung
fast immer nicht den richtigen Wert für die Erregung des oder der Motoren. besitzen,
ist in. der Regel ein die Motorerregung speisender Transformator überhaupt erforderlich,
der dann. auf die angegebene Weise als Ersatz der Induktionsspule H der Fig. 5 ausgebildet
werden kann.
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Die geschilderten Mittel zur Verbesserung der Phasenverschiebung können
nicht nur einzeln, sondern auch gleichzeitig oder abwechselnd für verschiedene Betriebszustände
zur Verwendung gelangen. Ferner känn erfindungsgemäß der Kompoundierufigstransformätor
dazu benutzt werden, bei Fahrbetrieb der Motoren den. Kondensator ini Hauptstromkreis
wirksam zu machen und dadurch eine Verhesserang der Phasenlage des Stromeswährend
der Fahrt hervorzurufen. Diese Schaltung ist schematisch in Fig. 8 veranschaulicht,
bei welcher an den. SpeisetransformatorD bei Nutzbrem.sbetrieb ganz wie bei Fig.
3 einerseits der Motoranker A und die Primärwicklung Ei des Kompoundierungstransformators
angeschlossen, ist und anderseits über die Sekundärwicklung E2 des Kompoundierungstransformators
die M:otorfeldwicklung B -gespeist wird. In diesen Erregerkreis ist noch die Primärwicklung
F, des mit seiner Sekundärwicklung F2 an den Kondensator C angeschlossenen Aufwärtstransformators
eingeschaltet. Die Schalter i bis 5 dienen zur Einstellung der Schaltung auf Nutzbrems-
oder Fahrtbetrieb. Bei Nutzbremsbetrieb sind die Schalter i, z und 3 geschlossen
und die Schalter q. und 5 geöffnet, während bei Fahrtbetrieb die Schalter q. und
5 geschlossen und die Schalter i, z und 3 geöffnet sind. Hierdurch wird bei Fahrtbetrieb
einerseits die Reihenschaltung des Ankers A und des Feldes B des Motors bewirkt,
anderseits der Kondensator C über den Kompoundierungstransformator El, E2 im Hauptstromkreis
zur Wirkung gebracht.
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In den Figuren sind der Übersichtlichkeit halber etwaige in bekannter
Weise zu schaltende Kompensations- und Wendefeldwicklungen .an. den Einphasenmotoren
weggelassen. Bei Verwendung von mehreren Motoren für ein Fahrzeug ist es zweckmäßig,
bei der Nutzbremsung alle Motorfeldwicklungen und mit ihnen die Primärwicklung des
sekundärseitig den Kondensator speisenden Aufwärtstransformators in Reihe zu schalten.
Man kommt dann für sämtliche Motoren mit einem einzigen Aufwärtstransformator und
einem einzigen Kondensator aus, was hinsichtlich Platz und Gewicht der Anordnung
sowie-Einfachheit der Schaltung günstiger ist als die Verwendung je eines Aufwärtstransformators
und Kondensators für die verschiedenen Triebmotoren.