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Einrichtung zur selbsttätigen Regelung von Belastungsaggregaten für
Verbrennungsmotorprüfstände. Zur Prüfung von Verbrennungsmotoren verwendet man häufig
Bremsgeneratoren. Besonders wenn es sich um starke Motoren, beispielsweise Flugzeugmotoren,
handelt, stellt die kis Netz zurückgelieferte, während des- Prüfvorganges erzeugte
Leistung einen großen Betrag dar. Diese zurückgewonnene Leistung verlangt eine selbsttätige
Regelung der elektrischen Einrichtung, damit einerseits das während der Prüfung
auf die Motoren angewendete Reibungsdrehmoment, abhängig von der Drehzahl, den gewünschten
Verlauf hat, und andererseits die sich aus der Art des Rückgewinnungsnetzes ergebenden
Bedingungen erfüllt werden.
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Es ist bereits eine Einrichtung zur selbsttätigen Regelung von $elastungsaggregaten
für Verbrennungsmotorprüfstände bekannt, bei denen ein oder mehrere von je einem
Verbrennungsmotor angetriebene fremderregte und in Reihe geschaltete Gleichstrombreinsgeneratoren
den mit konstanter Drehzahl laufenden, als Belastungsmotor dienenden Antriebsmotor
eines Umformers für die Energierückgewinnung speisen. Diese bekannte Einrichtung
benötigt jedoch Relais und im Belastungskreis liegende Widerstände. Die Erfindung
ermöglicht eine selbst-` tätige Steuerung des Bremsgenerators zur Erzielung gewünschter
Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien mit einfachen Mitteln ohne Relais und Hauptstromwiderständc.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß eine in Abhängigkeit von dem Bremsgener
atorstr om erregte, mit annähernd konstanter Drehzahl laufende Erregermaschine vorgesehen
ist, die entweder allein oder zusammen mit einer zweiten, in Abhängigkeit von der
Bremsgeneratorspannung erregten und mit einer der Bremsgeneratordrehzahl proportionalen
Drehzahl umlaufenden zusätzlichen Erregermaschine den Antriebsmotor des Umformers
erregt.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung in meli ä reren Ausführungsbeispielen
veranschaulicht. In den verschiedenen Abbildungen ist der zu prüfende Flugzeugmotor
mit r bezeichnet. Ein derartiger Motor muß ein Drehmoment, das ungefähr proportional
dem Quadrat der Drehzahl ist, und eine. Leistung liefern, die proportional dem Kubus
der Drehzahl ist. Der Motor r treibt einen Bremsgenerator mit dem Anker 2 und nur
einer einzigen fremderregterj Feldwicklung 3 an, so daß der Aufbau des Feldgestelles
des Generators sehr einfach wird. Die Erregerwicklung 3 wird von
irgendeiner
Gleichstromquelle 4, beispielsweise einem Netz oder einer Akkumulatorenbatterie,
gegebenenfalls über einen in den Abb.3, 5 und 6 nicht gezeichneten Regelwiderstand
gespeist. Der Bremsgenerator speist den Gleichstrommotor 5 eines Umformers mit einem
Synchrongenerator 6, welcher auf das Drehstromnetz 7 arbeitet.
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Der Motor 5 der Anordnung nach Abb. i besitzt eine an der konstanten
oder annähernd konstanten Spannung eines Netzes liegende Erregerwicklung 2o und
eine zweite Erregerwicklung 2i, die an eine mit konstanter oder annähernd konstanter
Drehzahl laufende Erregerinaschine 22 angeschaltet ist. Diese Erregermaschine ist
mit einer Erregerwicklung 23 versehen, die von dem Bremsgeneratorstrom selbst oder
einen dem Hauptstrom proportionalen Strom durchflossen wird. Die Durchlütungen der
beiden Erregerwicklungen 2o und 21 wirken einander entgegen.
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In dem Schaubild nach Abb. 2 bedeuten die Geraden 29 und 3o die Durchflutungen
der Wicklungen 2o und 21 als Funktion der Drehzahl des Motors i. Die auf den Motor
5 wirkende resultierende Durchflutung ist durch die Gerade 31 dargestellt: Nimmt
man an, dali die Maschinen 5 und 22 ungesättigt sind, und vernachlässigt man den
Ohmschen Spannungsabfall, dann ist die Spannung an den Klemmen des Bremsgenerators
2 und die Gegen-EMK des Motors 5 proportional der Drehzahl des Verbrennungsmotors
r. Der von dem Generator:.: gelieferte Strom ist ebenfalls proportional dieser Drehzahl.
Die dem Motor 5 zugeführte Leistung ist dann dem Quadrat der Drehzahl proportional
und in Abb.2 durch die Parabel 32 dargestellt: Durch geeignete Bemessung
der Wicklungen 2o, 21 und 23 und Einstellung der Widerstände 2q., 25 und 26 kann
in dem Bereich der für den Verbrennungsmotor i praktisch in Frage konlinenden Drehzahlen,
beispielsweise von n1 bis n2, erreicht werden, daß die Parabe132 an-, nähernd mit
der Kurve dritten Grades 33 zusammenfällt.
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Zum Anlassen des Verbrennungsmotors i läuft der Generator :2 als Motor
und wird von dem Motor 5 gespeist,. wobei der Maschinensatz 6, 5 dann als Drehstrom-Gleichstrom-Umformer
wirkt. Die Wicklung 23 ist dabei kurzgeschlossen. Der Widerstand 26 ermöglicht die
Regelung der Drehzahl.
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Bemerkenswert ist, daß die Sättigung der magnetischen Kreise der Maschinen
22 und 5 bewirkt, daß der Wert des von' dem Generator -2 gelieferten Stromes rascher
zunimmt als die Spannung. Bei den hohen Drehzahlen wird sich daher die Kurve
32 der Kurve 33 nähern. Um diese Wirkung zu begünstigen, ist in dem Ausführungsbeispiel
nach Abb.3 der Motor 5 nur mit einer einzigen Erregerwicklung z7 versehen, die wiederum
von der in Abhängigkeit von dem Bremsgeneratorstrom erregten Erregermaschine z2
gespeist wird. Die von dem Generator z erzeugte Spannung kann als Funktion der Drehzahl
durch die Gerade 34 der Abb. q. dargestellt werden. Wenn man den Spannungsabfall
in denn Hauptstromkreis vernachlässigt und die Erregermaschine 22 nicht gesättigt
ist, wird diese eine Spannung liefern, welche der von dem Generator 2 erzeugten
Spannung und so-.
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@' mit auch der Drehzahl des Motors r proportional ist. Diese Spannung
kann als Funktion dieser Drehzahl durch eine- andere Gerade 35 dargestellt werden.
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.Wenn die Erregermaschine 22 von dem Hauptstrom erregt wird, dann
wird ihre Spannung als Funktion der Stärke dieses Stromes unter Vernachlässigung
der Spannungsabfälle nur von der Form ihrer Leerlaufcharäkteristik abhängen. Durch
verschiedene aufeinanderfolgende und auf der Länge des magnetischen Kreises dieser
Erregermaschine gestaffelte Einschnürungen wird dieser magnetische Kreis derart
gesättigt, däß sich eine derartige Leerlaufckiarakteristik ergibt, daß die Spannung
als Funktion des Hauptstromes sich annähernd proportional mit der Quadratwurzel
aus dem Hauptstrom ändert (Kurve 36 der Abb. q.). Unter diesen Umständen wird die
Stärke des Hauptstromes proportional dem Quadrat der Klemmenspannung des Generators
2 sein, d. h. dem O_uadrat der Drehzahl des Motors i. Die Leistung wird proportional
dem Kubus dieser Drehzahl sein (Kurve 37 der Abb: 4).
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Um' die verschiedenen Spannungsabfälle und die Sättigung der
Maschine 5 zu berücksichtigen,. wird die Kurve 36 in geeigneter Weise durch eine
entsprechende Bemessung der im' magnetischen Kreis der Erregermaschine 22 vorgesehenen
Einschnürungen abgeändert.
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Zum. Anlassen des Verbrauchermotors i läuft der Generator 2 als Motor.
Die Wicklung 23 ist hierbei kurzggesclilossen, während die Maschine 5 von einer
besonderen Erregerwicklung 28 fremderregt wird. Sofern ihre Amperewindungen nicht
zu groß sind, kann die Wicklung 28 ständig bei geringer Abänderung der Kurve 36
eingeschaltet bleiben.
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Um die Abmessungen der Erregermaschine 2z zu verkleinern, kann diese
ähnlich wie bei dem nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel nach Abb.6 als
Spannungserhöher oder -erniedriger einen den Klemmen des Motors 5 entnommenen Spannung
verwendet werden.
Die nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
ermöglichen eine größere Genauigkeit der Regelung. Bei dem Ausführungsbeispiel nach
Abb. 5 liegt die Erregerwicklung 8 des Motors 5 an der Differenz der von den Erregermaschinen
g und io erzeugten Spannungen. Die Erregermaschine 9 besitzt eine der Drehzahl des
Bremsgenerators a proportionale Drehzahl. Die Erregermaschine wird beispielsweise
von dem Bremsgenerator oder von einem von den Klemmen des Bremsgenerators gespeisten
Motor angetrieben. Die Wicklung i i der Erregermaschine 9 liegt an der Spannung
des Bremsgenerators z. Die von der Erregermaschine 9 erzeugte Spannung ist, sofern
ein ungesättigter Betrieb angenommen wird, dem Quadrat der Drehzahl des Motors i
proportional. -Die Erregermaschine io besitzt eine konstante oder annähernd konstante
Drehzahl; sie ist beispielsweise mit dein Motor 5 gekuppelt. Sie besitzt zwei einander
entgegenwirkende Erregerwicklungen. Die eine Erregerwicklung 12 liegt unmittelbar
oder mittelbar, beispielsweise durch Anlegen an die Klemmen eines Nebenschlußstromkreises,
in dem Stromkreis der Maschine 2. Die andere Erregerwicklung 13 ist in Reihe mit
dem Anker der Maschine io geschaltet.
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Die Erregermaschine io ist ungesättigt angenommen. Die Durchflutung
der Wicklung 13 ist derart bemessen, daß sie nur für die Deckung des Spannungsabfalles
des Stromkreises 8, 9, 1o sorgt. Auf die Erregerwicklung 8 wirkt die Differenz der
in den Erregermaschinen 9 und 1o erzeugten Spannungen, wobei die Erregermaschine
io den Einfluß der Drehzahl der Bremsdvnamo quadriert, d. h. der in dem Motor 5
fließende, von dem Bremsgenerator gelieferte Strom ist proportional dem Quadrat
der Drehzahl des Motors i. Die durch den Bremsgenerator erzeugte Spannung ist proportional
dieser Drehzahl.
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Die in Abb.6 dargestellte Ausführungsform der Erfindung gestattet,
die Abmessungen der Erregermaschinen 9 und io zu verringern. Die Erregermaschine
9 speist lediglich eine dritte Erregerwicklung 14 der Erregermaschine io. Die Erregerwicklung
wird also von einem Strom durchflossen, der'proportional ist dem Quadrat der Drehzahl
des Motors i. Die Erregerwicklung 13 der Anordnung nach Abb. 5 ist durch eine Nebenschlußerregerwicklung
15 ersetzt, welche möglichst geringen Widerstand besitzt, ohne aber die Maschine
io zur Selbsterregung zu bringen. Die Erregermaschine io dient in bezug auf die
Spannung an den Klemmen der Maschine 5 bei der Speisung der Wicklung 8 als Spannungserhöher
bzw. -erniedriger. Der in der Wicklung 12 fließende Strom, d. h. der der Maschine
:2 entnommene Strom, ist proportional dem Quadrat der Drehzahl des Motors i, die
Leistung daher dem Kubus dieser Drehzahl proportional.
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In Abb. 7 stellt die Kurve 38 ein Maß für die notwendige Erregerspannung
an den Klemmen der Wicklung 8 dar, und zwar als Funktion der Drehzahl des Motors
i. Die Gerade 39 zeigt den Verlauf der Spannung an den Klemmen der Maschine 5. Die
Differenz >der Ordinaten der Kurven 38 und 39 gibt die Kurve 4o der von der_Erregermaschine
io zu liefernden Spannung. Es sei als Höchstdrehzahl die Drehzahl n3 angenommen.
Dieser Drehzahl entspricht eine Spannung O L an den Klemmen der Maschine io. Wird
die höchste von der als Spannungserhöher wirkenden Maschine io zu liefernde Spannung
OTl gleich der höchsten von der als Spannungserniedriger wirkenden Maschine io zu
liefernden Spannung 0U gemacht, dann kann die Maschine io wesentlich kleiner bemessen
werden.
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Bei den Ausführungsbeispielen nach Abb. 5 und 6 wird zum Anlassen
des Verbrennungsmotors 3 die Maschine z als Anlaßmotor verwendet. Der Maschinensatz
5, 6 läuft dann als Drehstrom-Gleichstrom-Umformer und speist den Motor z. Die Erregermaschinen
9 und io .sind durch geeignete Mittel außer Wirksamkeit gesetzt. In der Anordnung
nach Abb. 6 wird der Schalter 17 geöffnet und der Umschalter 18 in die Stellung
ig gebracht. Die Wicklung 8 ist an eine beliebige konstante oder annähernd konstante
Spannung gelegt. In der Anordnung nach Abb. 6 wird der Umschalter 16 in die obere
Stellung gebracht. Die Wicklung 8 -wird dann aus dem 'Netz q. über einen regelbaren
Spannungsteiler gespeist.
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Selbstverständlich sind den verschiedenen Erregerwicklungen Regel-
und von Hand einstellbare Widerstände zugeordnet, welche eine Regelung der Drehzahl
des Motors i während des Anlaufens und eine Einstellung der durch den Generator
z abzugebenden Leistung während der Prüfung des Motors i im Belastungszustand ermöglichen.
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Durch geeignete Abänderungen der Ausführungsformen nach Abb. 5 und
6 läßt sich, übrigens erreichen, daß die Leistung des Generators sich nicht proportional
dem Kubus der Drehzahl des Motors i, sondern nach einem anderen Gesetz ändert.
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Wird beispielsweise bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 6 die Wicklung
i i an eine konstante oder annähernd konstante Spannung, die Wicklung 3 an die Spannung
der Klemmen der Erregermaschine g und die Wicklung 14 an die Spannung der Klemmen
des Generators gelegt, dann ist die durch den
Generator abgegebene
Leistung proportional der vierten Potenz der Drehzahl.
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Werden die Wicklungen i i und i4 .an eine konstante oder annähernd
konstante Spannung und die Wicklung 3 an die Klemmen der zusätzlichen Erregermaschine
9 gelegt, dann ist die Leistung proportional dem Quadrat der Drehzahl. Das gleiche
Gesetz erhält man, wenn man unter Abschälten der Maschine 9 die Wicklung 3 an eine
konstante oder annähernd konstante Spannung und die Wicklung 1q. an die Klemmen
der Maschine 2 legt.
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Wird die Erregermaschine 9 nicht benutzt und an die Wicklung 14 eine
konstante oder annähernd konstante Spannung gelegt, dann wird sich die: Leistung
proportional der Drehzähl ändern.
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Eine Charakteristik, in der sich die Leistung proportional dem Kubus
der Drehzahl ändert, kann auch dadurch=erzieltwerden, daß die Wicklung i i an eine
konstante oder annähernd konstante Spannung und die Wicklungen 3 und 14 an die Erregermaschine
9 gelegt werden.