DE661755C - Einrichtung zur annaehernden Konstanthaltung der Leistungsabgabe einer Generatormetadyne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur annähernden Konstanthaltung der Leistungsabgabe der Generatormetadyne einer mit veränderlicher Belastung arbeitenden Kraftanlage mit an die Erregerbürsten des Generators angeschlossener Speicherbatterie. Bei Fahrzeugantrieben schwankt die der Generatormetadyne entnommene Leistung ziemlich stark. Ist zum Antrieb des Generators eine Dieselmaschine vorgesehen, so ist es zweckmäßig, die Drehzahl der Kraftmaschine zwecks Abgäbet der Höchstleistung annähernd gleichbleibend auf dem höchstzulässigen Wert zu halten.

Gemäß der Erfindung ist nun eine von der Generatormetadyne angetriebene Regelmaschine vorgesehen, die über eine in der Erregerbürstenachse wirkende Stromregelwicklung an der Spannung der Speicherbatterie liegt und deren EMK der EMK der Speicherbatterie entgegenwirkt. Eine derartige Einrichtung macht einen Regler gewöhnlicher Bauart an der Dieselmaschine entbehrlich. Sie weist außerdem den Vorteil auf, daß im Triebmotorenkreis mit hoher, im Batteriekreis mit niedriger Spannung gearbeitet werden kann, trotzdem in beiden Kreisen die gleiche Hauptmaschine arbeitet. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist besonders für Rangierlokomotiven und ähnliche Fahrzeuge geeignet, bei denen der Ladezustand der Batterie die Arbeitsverhältnisse der Dieselmaschine beeinflußt.

Die Erfindung ist in der Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispielen veranschaulicht.

Abb. ι zeigt die Schaltung einer Anlage, in der eine Generatormetadyne drei Motoren in Reihenschaltung speist. Eine Metadyne besitzt, ähnlich wie eine gewöhnliche Gleichstrommaschine, einen Anker, der mit konstanter Drehzahl läuft und in seiner einfachsten Bauart zwei um 90 elektrische Grade gegeneinander verschobene Bürstenpaare besitzt. Die primären Bürsten liegen normalerweise an einer annähernd konstanten Spannung. Der die primären Bürsten durchfließende Strom erzeugt einen Fluß, der zwischen den sekundären Bürsten eine EMK induziert. Ist die an die primären Bürsten angelegte Spannung und die Drehzahl der Maschine annähernd konstant, so ist auch der über die sekundären Bürsten an die Verbraucher abgegebene Strom konstant.

Die in einer als· Umformer wirkenden Metadyne auftretenden motorischen und generatorischen Drehmomente sind annähernd gleich

und entgegengesetzt gerichtet. Soll die Metadyne als Generator arbeiten, dann wird diese Gleichheit der Drehmomente durch eine in der primären Bürstenachse wirkende Wicklung aufgehoben, deren Durchflutung die von der Ankerwicklung hervorgerufene Durchflutung unterstützt. Diese Wicklung wirkt derart, daß der Wert des für einen bestimmten primären Fluß erforderlichen primären ίο Stromes und dadurch das motorische Drehmoment herabgesetzt wird, so daß die Maschine als Generator arbeitet.

Unter der Primär- oder Erregerbürstenachse soll die primäre Kommutierungsachse oder die Achse des durch „den Primär- oder Erregerstrom erzeugten Flusses verstanden werden.

In dem Ausführungsbeispiel liegen an den Sekundär- oder Arbeitsbürsten B, D der Generatormetadyne die Verbraucher M₁, M₂ und M₃ in Reihenschaltung. An die Primär- oder Erregerbürsten A₁ C ist eine Speicherbatterie 5¹ angeschlossen. Zur Erzielung der Generatorwirkung ist eine Wicklung W^ vorgesehen, deren Durchflutung in Richtung der Erregerbürstenachse wirkt und die Ankerdurchflutung unterstützt. Die Erregung dieser Wicklung hat eine derartige Größe, daß die Belastung der Kraftmaschine auf einem bestimmten konstanten Wert gehalten wird.

Zur Konstanthaltung der Generatordrehzahl ist eine Drehzahlregeleinrichtung vorgesehen, die aus einer mit dem Generator mechanisch gekuppelten Regelmaschine R und einer in der Erregerbürstenach&e wirkenden Regelwicklung W₁ besteht. Die im wesentlichen ungesättigte, nebenschluß- oder fremderregte Regelmaschine liegt in Reihe mit der Regelwicklung an den Erregerbürsten des Generators und erzeugt eine der EMK der Speicherbatterie S entgegenwirkende EMK. Die Regelmaschine spricht in einem bestimmten, dem sog. kritischen Drehzahlbereich auf verhältnismäßig kleine Drehzahländerungen mit verhältnismäßig großen Änderungen ihrer EMK an und ist derart erregt, daß bei der konstant zu haltenden Drehzahl des Generators bzw. der kritischen Drehzahl der Regelmaschine die von der Regelmaschine erzeugte EMK gleich der EMK der Speieherbatterie ist, so daß die Regelwicklung W₁ stromlos ist. Bei Vollast läuft der Maschinensatz annähernd mit der kritischen Drehzahl; die Verhältnisse sind derart abgeglichen, daß die EMK der Regelmaschine und die EMK an den Bürsten A, C der Generatormetadyne möglichst genau gleich der Ruhespannung der Speicherbatterie sind. Der zwischen den Arbeitsbürsten B, D wirksame Fluß wird dannausschließlich von der Wicklung W₂ erzeugt; die Generatormetadyne arbeitet wie ein gewöhnlicher Gleichstromgenerator mit einfachem Bürstensatz.

Bei Überlast beginnt die Drehzahl des mit konstantem Drehmoment arbeitenden Dieselmotors sofort zu sinken, d. h. die Drehzahl wird kleiner als die kritische Drehzahl. Eine an sich nur kleine Drehzahlverminderung des Maschinensatzes bewirkt aber in der Regelmaschine eine kräftige Spannungssenkung, derzufolge die Speicherbatterie einen verhältnismäßig starken Entladungsstrom durch die Regelwicklung W₁ der Generatormetadyne zum Anker der Regelmaschine schickt. Letztere arbeitet dann als Motor und unterstützt den Dieselmotor rein mechanisch.

Der Drehzahlabfall bewirkt ferner, während sich der Arbeitsstrom J₂ nur wenig ändert, ein Sinken der zwischen den Erregerbürsten A, C induzierten Spannung, demzufolge die Batterie auch durch den Anker der Generatormetadyne einen kräftigen Entladestrom schickt. Der zwischen den Bürsten B, D wirksame Fluß wird in einem solchen Betriebs- ^: zustand von der Summe der gleichsinnig wirkenden Durchflutungen im Anker und in den Ständerwicklungen W_% und W₁ erzeugt; mithin erreicht auch die zwischen den Arbeitsbürsten B, D induzierte Spannung trotz der verringerten Drehzahl rasch den zum Durchziehen der Motoren notwendigen erhöhten Wert. Die ihr entsprechende erhöhte Leistung wird demgemäß außer vom Dieselmotor von ,_; der Batterie auf zwei Wegen gedeckt: Erstens mittels des Entladestromes durch den Anker 9:5 der Regelmaschine, zweitens mittels des Entladestromes über die Erregerbürsten A, C ;. durch den Anker der Metadyne. Letztere arbeitet mithin bei Überlast einerseits als : Generator, der vom Dieselmotor und der ΐοή Regelmaschine mechanisch angetrieben wird, andererseits als Umformer, der konstante Spannung in konstanten Strom umformt.

Bei schwacher Belastung der Motoren, im : Grenzfall beim Stillstand der Motoren, die in diesem Falle kurzgeschlossen sind, hat der Dieselmotor das Bestreben, seine Drehzahl zu steigern, d. h. über die kritische Drehzahl hinaus zu erhöhen. Die Regelmaschine bewirkt .:■ dann auch bei einer kleinen Erhöhung sofort eine kräftige Spannungssteigerung, d. h. die Regelmaschine wird zum Generator, der über die Ständerwicklung W₁ die Batterie aufladet und dadurch den Dieselmotor mechanisch ;; bremst. Da der Arbeitsstrom J₂ praktisch konstant bleibt, steigt infolge der Drehzahlsteigerung auch die Spannung an den Erregerbürsten A, C, die Generatormetadyne schickt einen kräftigen Ladestrom in die Batterie und belastet damit den Dieselmotor bis an

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die Grenze seines konstanten Drehmomentes. Die Spannung an den Bürsten B, D muß in diesem Betriebszustand praktisch gleich Null sein, also auch der zwischen den Arbeitsbürsten hindurchtretende Kraftfluß bzw. die ihn erzeugende Erregung. Dieser Zustand stellt sich selbsttätig ein, denn gegenüber dem vorstehend beschriebenen Zustand bei Überlast, bei welchem die Durchflutungen im Anker

ίο und in den Ständerwicklungen W₁ und W₂ gleichsinnig waren, wirken nunmehr infolge Wechsels der' Stromrichtungen die Durchflutungen im Anker und in W₁ derjenigen in der Wicklung W₂ entgegen. Die mechanische Leistung des Dieselmotors wird zu einem kleinen Teil in der Regelmaschine, zum größten Teil in der Generatormetadyne in elektrische Leistung zum Aufladen der Batterie umgewandelt.

In denjenigen Fällen, in welchen keine konstant erregte Regelwickhmg VV₂ vorhanden ist, muß die Erregung der Regelmaschine derart eingestellt werden, daß bei der kritischen Drehzahl ein Strom durch die Wicklung W₁ fließt, so daß die Maschine als Generatormetadyne arbeitet.

Mit der beschriebenen Anordnung kann die Drehzahl der Kraftmaschine zumindest innerhalb solcher Grenzen gehalten werden, daß die Leistungsfähigkeit der Kraftmaschine nicht unzulässig verringert wird.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht auch eine Nutzbremsung. Hierzu ist es erforderlich, daß der Arbeitsstrom und der von ihm hervorgerufene Fluß die gleiche Richtung durch Umkehren der Verbindungen zu den Ankern oder Feldwicklungen der Motoren beibehalten. Die Richtung des Erregerstromes und des von ihm hervorgerufenen Flusses kehrt sich selbsttätig um. Dies ist erforderlich, damit die an den Arbeitsbürsten auftretende EMK der Generatormetadyne den Nutzbrems-EMKen der Motoren entgegenwirkt.

⁴S In dem Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 1 kann eine zusätzliche Stromregelwicklung W_s vorgesehen werden, die in Richtung der Arbeitsbürstenachse angeordnet ist und deren Erregung von Hand nach Größe und Richtung einstellbar ist. Die Wicklung W₃ dient dazu, die Größe des Arbeitsstromes willkürlich ändern zu können. Hierbei wird dann natürlich auch das Verhältnis zwischen dem Generatormoment und dem Motormoment geändert.

Die Regelmaschine wirkt als Drehzahlregler und ermöglicht die Ersparung der gewöhnlichen Regeleinrichtung. Wird die Erfindung bei Fahrzeugen verwendet, so wird der auf dem Führerstand angeordnete Steuerregler mit Kennmarken versehen, denen verschiedene Größen der Motoranker- und Feldstromstärken und auch der Füllung und einstellbaren Abgabeleistung zugeordnet sind. Die Regelmaschine bewirkt durch die Einregelung der Belastung der Kraftmaschine, daß die Drehzahl annähernd gleich der kritischen Drehzahl bleibt. Diese Einregelung erfolgt entweder durch Abgabe von Leistung an die Speicherbatterie oder eine andere Spannungsquelle oder durch Entnahme von Leistung aus diesen Spannungsquellen. Die Batterie ermöglicht somit die Lieferung eines Teils der bei Leistungsspitzen erforderlichen Leistung und die Leistungsaufnahme bei Unterbelastungen.

Abb. 2 zeigt graphisch die Wirkungsweise der Einrichtung. Auf der Ordinate sind der Strom J₂ und die Abgabeleistung A^r und auf der Abszisse die Arbeitsspannung U₂ aufgetragen. Die Gerade a-b stellt die angenommene Stromcharakteristik der Generatormetadyne entsprechend der Stellung des Steuerreglers dar. Die Parabel 0, h, d, k, b ist die für die Motoren erforderliche Leistung. X-X' stellt die konstante Abgabeleistung der Kraftmaschine dar. Nimmt man die Gerade X-X' als Abszissenachse an, so stellen die unter dieser Geraden liegenden Ordinaten der Parabel die an die Speicherbatterie abgegebene Leistung und die über der Geraden go liegenden Ordinaten der Parabel die der Batterie entnommene Leistung dar. c, b ist die Generatormetadynecharakteristik für eine andere Stellung des Steuerreglers. Die Parabel 0, g, b stellt die entsprechende Abgabeleistungskurve und die Gerade Y-Y' die entsprechende konstante Abgabeleistung der Kraftmaschine dar.

Abb. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem zwei Motoren M₁ und M₂ mit der Metadyne in der sog. Achterschaltung verbunden sind. Die Regelmaschine und diet Speicherbatterie sind wie in der Anordnung gemäß Abb. 1 geschaltet.

Um das Aufladen der Batterie zu ver- Ί05 mindern oder zu beendigen, wenn die Batteriespannung einen bestimmten Wert erreicht hat, kann in an sich bekannter Weise irgendein auf die Batteriespannung ansprechendes Relais vorgesehen werden, welches auf den Kraft- no maschinenregler in einem die Füllung vermindernden Sinne einwirkt.

Es ist beispielsweise aus wirtschaftlichen Gründen erwünscht, daß die von der Regelmaschine erregte Regelwicklung nicht nur auf den durch die Erregerbürsten, sondern auch auf den durch die Arbeitsbürsten fließenden Strom der Generatormetadyne einwirkt. Zu diesem Zweck kann außer der Regelwicklung W₁ eine zusätzliche, in der Arbeits-

' bürstenachse wirkende Regelwicklung W₃, die ebenfalls von dem Strom der Regelmaschine durchflossen wird, vorgesehen werden. In geeigneten Fällen kann die gleiche Wirkung S durch die Verwendung eines einzigen Spulenpaares, welches auf den Hauptpolen der Metadyne zwischen den Bürsten DA und BC gemäß Abb. 4 angeordnet wird, oder durch Veränderung des Verhältnisses der auf den um

ίο go elektrische Grade gegeneinander verschobenen Polen angeordneten Windungen erzielt werden. Der von diesen Spulen erzeugte Fluß hat zwei Komponenten, von denen die in Richtung der Erregerbürstenachse wirkende Komponente eine Änderung des Erregerstromes und die in Richtung der Arbeitsbürstenachse wirkenden Komponente eine Änderung des Arbeitsstromes bewirkt.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Einrichtung zur annähernden Konstanthaltung der Leistungsabgabe der Generatormetadyne einer mit veränderlicher Belastung arbeitenden Kraftanlage mit an die Erregerbürsten des Generators angeschlossener Speicherbatterie, insbesondere für dieselelektrische Lokomotivantriebe, gekennzeichnet durch eine von der Generatormetadyne angetriebene Regelmaschine (R), die über eine in der Erregerbürstenachse wirkende Stromregelwicklung (Wi) an der Spannung der Speicherbatterie (S) liegt und deren EMK der EMK der Speicherbatterie entgegenwirkt.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß ,eine weitere in der Erregerbürstenachse wirkende, vorzugsweise an die Klemmen der Speicherbatterie (S) angeschlossene Strotnregelwicklung (JF_a) vorgesehen ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine in der Arbeitsbürstenachse wirkende Stromregelwicklung (JF₃), deren Erregung von der Regelmaschine (J?) geliefert wird.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Erreger- und Arbeitsbürstenachse vorgesehenen Stromregelwicklungen zu einer einzigen Wicklung (JF₄) vereinigt sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen