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Schaltung zum selbsttätigen Anlassen und Nutzbremsen von Gleichstrombahnmotoren
Bei Gleichstrombahnmotoren, die durch Änderung der Motorerregung angelassen werden,
muß der Strom im entgegengesetzten Sinne wie das Erregerfeld geändert werden, damit
ein im wesentlichen konstantes Drehmoment aufrechterhalten wird.
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Nach dem Hauptpatent 61g 742 wird dieses Ergebnis mit Hilfe einer
Einrichtung erreicht, die in Abb. z schematisch dargestellt ist. Bei dieser Einrichtung
besitzt der Antriebsmotor NI zwei Erregerwicklungen, nämlich eine Serienwicklung
N und eine getrennte Erregerwicklung P'. Die getrennte Wicklung P wird durch eine
Erregermaschine E gespeist, welche durch den Motor 04 mit konstanter Geschwindigkeit
-angetrieben wird- Diese Erregermaschine besitzt drei Erregerwicklungen, die Nebenschlußwicklüng
sh, die fremderregte Wicklung d
und die Serienwicklung S. Die NebenschluB-Wicklung
sh ist so bemessen, daß ihre Widerstandsgerade parallel zu dem geraden Teil der
Leerlaufcharakteristilc der- Erregermaschine verläuft. Die fremderregte Wicklung
d wird durch eine an konstante Spannung angeschlossene Hilfserregermaschine f gespeist,
deren Drehzahl der Zuggeschwindigkeit proportional ist. Die Serienwicklung S wird
von einem Strom durchflossen, der dem von . dem Antriebsmotor aufgenommenen Strom
I proportional ist. Wie in dem Hauptpatent näher beschrieben, ermöglicht eine derartige
Einrichtung, das Anlassen und die Bremsung nach dem Gesetz
mit konstantem Drehmoment durchzuführen. Bei Anwendung von vier Motoren, die aufeinanderfolgend
in; Serienschaltung, Serienparallelschaltung und Parallelschaltung gelegt werden
können, ergibt sich ein Verlauf des Stromes in Abhängigkeit von der Zuggeschwindigkeit
nach dem Schaubild der Abb. 2. Die Strecke m, -n, entspricht dem Anlauf durch Ausschaltung
von Widerständen. Die Strecken ial-p1, qi y1, si t1 entsprechen dem Anlauf mit konstantem
Drehmoment bei der Motorbetriebsspannung
bzw. U. Von dem Punkt t1 an ist die Erregermaschine
E ausgeschaltet,
so daß der Anlauf nach der natürlichen Charakteristik eines Serienmotors vor sich
geht, die durch den verhältnismäßigen Anteil der Windungszahl der den Antriebsmotor
erregenden Wicklung N bestimmt ist.
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Beginnt die Bremsung bei der Geschwindigkeit N5, so verläuft der Vorgang
von v i mit konstantem Drehmoment nach den Kurvenstücken v, -s-,, yi -i und qi @
bei gntsprechender Änderung der Motorschaltung.
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Bei dieser Einrichtung ergibt sich die Notwendigkeit, bei halbem Erregerfeld
einen Strom von der Größe des doppelten Nennstromes zu kommutieren, woraus in gewissen
Fällen Schwierigkeiten entstehen. Man kann den Höchststrom auf einen gewünschten,
mit einer guten Kommutierung vereinbaren Wert Il begrenzen, indem man die fremderregte
Wicklung d der Erregermaschine E zwischen den Punkten n.2 pg und r,-s2 mit konstanter
Spannung speist. Das erfordert jedoch eine Komplizierung der Schaltgeräte, da bei
dem Stromwert IS der Übergang von dem Betrieb mit konstantem Drehmoment auf den
Betrieb mit konstanter Leistung gesichert werden muß. Will man die Einfachheit der
Schaltgeräte und gleichzeitig die Möglichkeit der Handbetätigung beibehalten, so
ist es erforderlich, daß der Übergang von der Serienschaltung auf die Serienparallelschaltung
der Motoren oder von der Serienparallelschaltung auf die Parallelschaltung beim
Motorbetrieb oder umgekehrt bei Generatorbetrieb in einem genügend großen Geschwindigkeitsbereich
vorgenommen werden kann. Wenn man nämlich bei der Ausführung der Umschaltung zögert
(vorausgesetzt, daß sie nicht selbsttätig erfolgt), so steigt der Strom, da der
Fluß abnimmt, mit der Geschwindigkeit ununterbrochen an, so daß ein Feuern der Motoren
eintreten kann.
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Durch die Erfindung wird eine Schaltung geschaffen, durch welche der
Motorstrom selbsttätig auf den gewünschten Wert begrenzt wird, wobei der Betrieb
dennoch im wesentlichen mit konstantem Drehmoment erfolgt. Die Erfindung wird an
Hand der Abbildungen erläutert. Abb.3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem
die Regelung des Stromes nach wie vor durch eine Erregermaschine E mit drei Erregerwicklungen
geschieht, deren Nebenschlußwicklung sh und deren vom Motorstrom durchflossene Wicklung
S mit- den entsprechenden Wicklungen der in dem Hauptpatent beschriebenen Einrichtung
übereinstimmen. Die Wicklung d wird hingegen von zwei entgegengesetzten Spannungen
gespeist, und zwar von der Netzspannung und von der Spannung der Erregermaschine
E. Die Wicklung d wirkt im entgegengesetzten Sinne wie die beiden anderen Wicklungen.
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Wie in dem Hauptpatent beschrieben, «erden bei einer Maschine mit
drei Erregerwicklungen, von welchen die Widerstandsgerade der Nebenschlußwicklung
slz. parallel zu dem geraden Teil der Leerlaufcharakteristik der Maschine verläuft,
die Amperewindungen der Serienwicklung S in jedem Augenblick den Amperewindungen
der fremderregten Wicklung d das Gleichgewicht halten. Infolgedessen ist die Änderung
des Motorstromes 1 proportional dem Strom in der Wicklung d.
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Wenn man z. B. die Zuggeschwindigkeit verdoppeln will, so muß der
Fluß um die Hälfte vermindert werden; der Erregerstrom I, des Bahnmotors ändert
sich dementsprechend nach der Kurve der Abb. 4, welche sich aus der Magnetisierungskurve
des Bahnmotors ergibt. Die Spannung der Erregermaschine E ändert sich nach dem gleichen
Gesetz, da E = r 1, ist.
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Wenn man die Kurve der Spannung E und die Netzspannung U in Abhängigkeit
von der Geschwindigkeit N aufträgt, wie es in Abb. 5 geschehen ist, so ergibt sich
der Strom in der Wicklung d aus der Differenz zwischen diesen beiden Spannungen,
nach ihrer Teilung durch den Widerstand des Stromkreises; man erhält auf diese Weise
die die Beziehung id - f (N) - kI ergebende Kurve.
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Durch passende Wahl dieser beiden Spannungen kann man Kurven erhalten,
wie sie in Abb.6 angegeben sind und deren Form von dem Sättigungszustand in dem
Motor abhängt.
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Für ein bestimmtes Verhältnis zwischen dem Strom für den halben und
für den vollen Fluß besteht eine bestimmte Beziehung zwischen den Spannungen F_
und LT.
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Da U die Netzspannung ist, muß, um die Änderungen des Stromes id in
der Wicklung d bei Verminderung der Erregung des Antriebsmotors merklich zu machen,
die Spannung der Erregermaschine E ziemlich hoch gewählt werden, woraus sich eine
sehr schwache Bemessung des Drahtes für die Erregerwicklung ergibt. Ist r1 der Widerstand
der fremderregten Wicklung d und nimmt man an, daß die Spannung der Erregermaschine
mit drei Wicklungen im Verhältnis 3 : i schwankt, wenn man von voller Erregung auf
halbe Erregung übergeht, und nimmt man weiter an, daß der Leitungsstrom sich im
gleichen Falle im Verhältnis von ändert, so muß die Spannung der Erregermaschine
bei voller Erregung
betragen.
Bei voller Erregung ergibt sich dann ein Strom
bei halber- Erregung
Dieser Nachteil kann leicht bei Vorhandensein mehrerer Bahnmotoren dadurch vermieden
werden, daß die Erregermaschinen E in Reihe geschaltet werden, wodurch die Erregerspannung
für jeden Motor durch die Zahl der Motoren geteilt wird. Auch kann man diese Spannung
noch in größerem. Verhältnis- mittels eines regelbaren Spannungsteilers verkleinern,
der außerdem zur Regelung der Bahnmotoren verwendet werden kann. Die Abb.8 zeigt
beispielsweise die Schaltung einer Anordnung mit zwei Motoren und Speisung der Erregermaschine
durch einen Spannungsteiler. Schließlich kann man noch eine -Hilfsstromquelle verwenden,
z. B. eine Akkumulatorenbatterie oder einen von einer Hilfsgruppe angetriebenen
Generator. Dies hat den Vorteil, daß der von dem Generator gelieferte Strom von
den Netzschwankungen unabhängig gemacht werden kann.
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Der Mittelwert des Motordrehmomentes kann auf diese Weise mit dem
normalen Wert gleichgehalten werden, und das Anlassen kann dergestalt ebenso schnell
wie beim gewöhnlichen Anlassen mit Widerständen vonstatten gehen.
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Das Gesetz der Änderung .des Drehmomentes in Abhängigkeit von der
Geschwindigkeit, das auf diese Weise erhalten wird, ist für die Kommutierung des
Motors günstiger als das, was man erhalten würde, wenn der Wert
stets gleichbliebe; denn man braucht bei der Geschwindigkeit 2 N nicht einen Strom
2 I zu kommutieren, sondern geringeren Strom. Bei den dazwischenliegenden
Geschwindigkeiten ist zwar der Strom höher, als der Beziehung
entsprechen würde; dieses ist jedoch kein Nachteil, weil bei diesen Geschwindigkeiten,
die Reaktanzspannung schwach und die Kommutierung nicht schwierig ist.
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Die Verminderung des Drehmomentes für höhere Geschwindigkeiten ist
im Hinblick auf das Schleudern der Räder ein sehr erheblicher Vorteil; ein Zustand,
in dem man die Charakteristik des Reihenschlußmotors wiederfindet, d:essenDrehmoment
mit wachsenderGeschwindigkeit abnimmt. Ebenso braucht der Übergang der Serienparallelschaltung
nicht mehr genau bei einer bestimmten Geschwindigkeit vorgenomen zu werden, da der
Motorstrom trotz ziemlich erheblicher Vergrößerung der Geschwindigkeit nicht merklich
zunimmt.
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Die Schaltung kann noch weiter dadurch verbessert werden, - daß im
Stromkreis der fremderregten Erregung der Erregermaschine ein Generator vorgesehen
wird, der mit einer der Fahrzeuggeschwindigkeit proportionalen Geschwindigkeit angetrieben
wird und dessen Spannung sich zu der der Erregermaschine addiert (Abb. 9).
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Dieser Hilfsgenerator f hat zwei Erregerwicklungen, eine Nebenschlußwicklung
y und eine unabhängige Wicklung z, die mit konstanter Spannung gespeist wird. Die
Spannung e der Hilfserregermaschine ändert sich . nach der Kurve der Abb. i o. Man
kann auch andere Charakteristiken erhalten, je nach dem Verhältnis zwischen dem
Nebenschluß und den unabhängigen Amperewindungen. Auf. diese Weise entstehen die
Charakteristiken der Abb. ii und 12, die durch geeignete Wahl der Spannungen
U, E und e innerhalb weiter Grenzen geändert werden können.
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Auf diese Weise ist es also möglich, die Charakteristik teilweise
der eines Motors mit Compounderregung anzugleichen und eine begrenzte Leerlaufgeschwindigkeit
zu erreichen.
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Diese Kombination bietet noch den Vorteil, daß der Wert des Motorstromes
gegen die Schwankungen der Netzspannung weniger empfindlich wird. Da nämlich die
Hilfserregermaschine gesondert vom Netz erregt wird, so- ändert sich ihre Spannung
im gleichen Sinne und sogar proportional, falls die Maschine nicht gesättigt ist.
Da sie entgegen zum Netz geschaltet ist, so schwächt eine Steigerung ihrer EMK .in
weiten Grenzen Schwankungen des Stromes id ab, wenn die Spannurig des Netzes sich
ändern sollte.
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Die verschiedenen obenerwähnten Schaltungen gelten in gleicher Weise
für das Ablassen wie für das Bremsen. Für den Übergang vom Betriebe mit positivem
auf den Betrieb mit negativem Drehmoment braucht nur die gesonderte Erregung umgekehrt
zu werden. Um Stromstöße zu vermeiden, dürfen die Motoren nur dann an das Netz angeschlossen
werden, wenn ihr Fluß einen geeigneten Wert hat. Der gewünschte Fluß stellt sich
selbsttätig dadurch her, daß man die gesonderte Erregung von den Klemmen des Schalters
für den Motorstrom abzweigt (Abb. i3). Wenn die von den Motoren entwickelte Spannung
nicht der Netzspannung das.Gleichgewicht hält, so entsteht im Stromkreis der unabhängigen
Erregung eine gewisse
Beanspruchung von Amperewindungen, und die
Wirkung der Erregermaschine ist derart, daß der Unterschied zwischen der Netzspannung
und der EMK der Motoren Null wird. Wenn nämlich der Hauptstromkreis geöffnet ist,
so herrscht Gleichgewicht im System bei einem Strom Null im Hauptstromkreis, und
dieser Zustand kann nur für die Spannung Null an den Klemmen des Schalters erreicht
werden.
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Es ist auf diese Weise nach einem Leerlauf möglich, den Motor ohne
Stromstöße wieder einzuschalten oder eine Nutzbremsung durchzuführen.
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Beim Anlassen oder Bremsen kann das Drehmoment auf den gewollten Mittelwert
durch einen regelbaren Widerstand eingestellt werden, der in den Stromkreis der
unabhängigen Erregung eingelegt wird. Die Änderungen des Drehmomentes in Abhängigkeit
von der Geschwindigkeit hängen dann nur von dem Wert der Spannungen ab, die auf
den Erregerstromkreis aufgedrückt werden.