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Schaltungsanordnung für brennkraft-elektrischen Fahrzeugantrieb Es
sind bereits Schaltungen bekannt, die die selbsttätige Vollbelastung der mit gleichbleibender
Drehzahl und Leistung laufenden liraftmaschine (meist Brennkraftmotor, Turbine oder
Diesel) in einem größeren Bereich der veränderlichen Fahrzeuggeschwindigkeit bezwecken.
Diese Schaltungen sind jedoch verhältnismäßig verwickelt sowohl im Aufwand der Mittel
als auch in den Prüfstandsarbeiten für das Abgleichen zwecks Deckung der tatsächlichen
mit der gewünschten starren Kennlinie, zu deren Gestaltung meist die Sättigungserscheinung
des Eisenmagnetismus passend - d. h. durch "Zusammensetzen mit einer Spannungsquelle
gleichbleibender Spannung in spiegelbildlicher Umkehr - verwertet wird. In dem Bestreben,
wenigstens eine Erregermaschine zu sparen, wandte man entweder Spaltpolmaschinen
an, wobei jedoch eine besondere Ladeeinrichtung für die Licht-und Starterbatterie
erforderlich war, oder man verwandte die Batterie, die dann aber wegen der den normalen
Lichtbetrieb weit überschreitenden Beanspruchung wesentlich vergrößert werden mußte.
Die in Abb. i der Zeichnung dargestellte Schaltung, bei der die Batterie über einen
zugleich als Erregerwicklung dienenden Vorschaltwiderstand vom Hauptgenerator aus
nachgeladen wird, ist, wie später gezeigt wird, wenig aussichtsreich, wenn Generator-
und Batteriespannung sich nennenswert unterscheiden. Die Erfindung erreicht eine
Vereinfachung der Schaltung bei größerer Anpassungsfähigkeit des Lastmomentes unter
Vermeidung sonst vorhandener Übelstände: Vorweg sei darauf hingewiesen, daß grundsätzlich
davon abgesehen wird, die für eine normale Lichtbatterie verhältnismäßiggroßeErregerleistung
von Hilfsgenerator und Batterie zu entnehmen, so daß die Batterie dem Hauptgenerator
weder in der Größe noch in der Spannung angepaßt zu sein braucht.
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Weitere Hauptmerkmale der Erfindung sind die kleine Leistung der Hilfsmaschine
(da der Hauptgenerator sich größtenteils selbst erregt) und das Fehlen einer besonderen
Lademaschine oder verlustreicher Ladevorschaltwiderstände.
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Es sei zunächst die vorerwähnte bekannte Schaltungsanordnung nach
Abb. i erläutert. Hier ist D der Brennkraftmotor zum Antrieb des Hauptgenerators
G und der Hilfsmaschine H. Der mit den Triebrädern über ein mechanisches Getriebe
gekuppelte Fahrmotor H als Hauptschlußmotor dargestellt, liegt .in Reihenschaltung
mit dem Generator G im Hauptstromkreis. Im Nebenschluß liegendie Erregerwicklungen
i und 2 des Hauptgenerators, .der schon erwähnte Hilfsgenerator H und die Batterie
B mit dem für die Erfindung unwesentlichen, jedoch zur Klarstellung angedeuteten
Lichtnetz N und dem sogenannten Ladeventil I_. Dieses hat die in diesem Zusammenhang
nebensächliche
Aufgabe, das Fließen eines Rückstromes bei stillstehendem oder langsam laufendem
Generator G aus der Batterie über die Wicklung i zu verhindern.
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Die Wirkungsweise dieser Schaltanordnung ist folgende: Bei stillstehendem
Fahrzeug läuft der Brennkraftinotor D nur mit der geringen Geschm-indigkeit, die
ihm die gedrosselte Treibstoffzufuhr gestattet und die zur Selbsterregung des Hauptgenerators
G nicht ausreicht.
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Gibt der Fahrzeugführer zum Anfahren Gas, so vergrößert sich die Drehzahl
des Dieselmotors. Zunächst erregt aber nur die aus der Batterie gespeiste Wicklung
2 den Hauptgenerator G derart, daß seine Klemmenspannung alsbald den Wert der Batteriespannung
erreicht. Von diesem Augenblick an kann ein Batterieladestrom über das Ladeventil
L durch ,die zweite Erregerwicklung i fließen, so daß die Klemmenspannung des Hauptgenerators
G weiter ansteigt. Dadurch wird wieder die Stromstärke in der Wicklung i erhöht
usw. Der Hauptgenerator erregt sich also selbst und im Hauptstromkreis wird der
Motorstrom erzeugt. Die.im Hauptstromkreis liegende Erregerwicklung der Hilfsmaschine
H (nicht bezeichnet) bewirkt, daß dieser als Motor, also als Spannungsverbraucher,
läuft und demgemäß eine Senkung des Stromes in der Wicklung 2 hervorruft. Die abfallende
Erregung der Wicklung 2 bewirkt dann wieder ras Sinken der Klemmenspannung des Hauptgenerators
G, und damit sinkt auch der durch die Erregerwicklung der Hilfsmaschine fließende
Motorstrom. Es wird sich also ein Gleichgewichtszustand einstellen.
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Es könnte die Frage gestellt werden, weshalb statt einer unmittelbaren
Spannungsbeeinflussung mittels einer auf den Hauptgenerator aufgebrachten, vom Motorstrom
durchflossenen Gegenverbundwicklung der Umweg über die Hilfsmaschine H gewählt ist.
Das geschieht deshalb, weil eine Gegenv erbundwicklung auf dem Hauptgenerator eine
linear abfallende Stromspannungskennlinie ergeben würde, während eine hyperbo-.
lisch (Hyperbel: ZugkraftXGeschwindigkeit = Strom X Spannung = unveränderlich) verlaufende
Kennlinie gefordert wird. Es ist also zur Umwandlung der linearen Funktion in eine
nichtlineare (nämlich: hyperbolische) Funktion ein Zwischenglied einzuschalten,
und dieses Zwischenglied ist die vom Motorstromerregte, starkgesättigteHilfsmaschineH.
Die hei starker Änderung des .Erregerstromes erfolgende kleine Spannungsänderung
einer stark gesättigten und die große Spannungsänderung einer schwach gesättigten
Maschine kann unter geeigneten Umständen zur Deckung gebracht werden mit der im
Bereich großen Stromesebenfalls flachverlaufendenHyperbel.
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Dieser Schaltungsanordnung nun haften, wie schon eingangs bemerkt,
gewisse Nachteile an, und zwar die folgenden: Es ist leicht zii ersehen, daß die
Wicklung 2 einen überwiegendenEinfltiß auf-dieErregung desHauptgenerators haben
muß. Wäre die Batteriespannung größenordnungsmäßig gleich der Generatorspannung,
so wäre alles in bester Ordnung. Aus praktischen Gesichtspunkten wird aber einerseits
.dieBatteriespannung klein - z. B. 6o Vbdt -gehalten, zwecks Beschränkung der Zellenzahl
der Batterie, andererseits die Maschinenspannung hoch-7.B. 70o Volt bei 3oo kW-Maschinen
- gehalten, damit die Leiterquerschnitte und die Kommutatoren keine unhandlichen
Abmessungen annehmen. Bei dem angenommenen Verhältnis 6o Volt 700 Volt führt
die aus vielen Windungen dünnen Querschnittes bestehende Wicklung i einen kleinen
Strom, der die Batterie nachlädt. Die aus wenigen Windungen starken Querschnittes
bestehende Wicklung 2 führt einen großen Strom, der die Batterie entlädt. Nur wenige
Windungen sind bedingt durch die Forderung eines hinreichend kleinen Ohnischen Widerstandes
bzw. eines v an der kleinen Batteriespannung getriebenen großen Stromes. Groß aber
muß der Strom sein, weil der erregende Einfluß der Amperewindungszahl proportional
ist. Das Dilemna: großer Entlade-und kleiner Ladestrom würde schnell zur völligen
Erschöpfung der Batterie führen und ist nicht zu vermeiden. Der naheliegende Gedanke,
-einen Ohmschen Widerstand parallel zur Wicklung i zu legen, derart, daß
der von ihnen gemeinsam geführte Strom die Größenordnung des die Wicklung 2, durchfließenden
Entladestroms erreicht, ist kaum noch als technisch fortschritlich zu bezeichnen,
da die großen Verluste im Parallelwiderstand die Wirtschaftlichkeit der Anordnung
in Frage stellen. Die Doppelfunktion der Wicklung i bleibt also bei .der Schaltung
nach Abb. i unwirksam.
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Die vorgenannten Nachteile vermeidet nun die Erfindung, die zunächst
an Hand der A#bb. 2, 3 und q. erläutert werden soll.
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Auch bei dieser Schaltungsweise treibt der Brennkraftmotor D einen
Hauptgenerator G und eine Hilfsmaschine H an; im Hauptstromkreis des Generators
G liegt -der Hauptstrommotor M mit seiner Erregerwicklung 6, die Erregerwicklung
3 der Hilfsmaschine H und die Verbundwicklung q. des Hauptgenerators G. Außerdem
trägt der Hauptgenerator G noch die Selbsterregerwicklung i und die am Anker der
Hilfsmaschine H liegende Fremderregerwiclclung 2. Die Hilfsmaschine H trägt- noch
die mit ihr und der Lichtbatterie
r in Reihe geschaltete Erregerwicklung
5. Der geöffnete Entregungsschalter S, die Wicklung 7, der Ladestromregler R, das
Ladeventil L, das Lichtnetz N und der Anlaßschalter A werden als für
den Grundgedanken der Schaltungsanordnung und ihrer Wirkungsweise weniger wichtige
Zubehörteile, die teilweise in verschiedenen Schaltmöglichkeiten und Ausführungsformen
anwendbar sind, erst ain Schluß eingehend behandelt.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung dienen die Schaulinien
der Abb. 3 und .l. Hier stellt die Linie a die Beziehung zwischen Spannung und Erregungsamperewindungen
des Hauptgenerators dar. Die Gerade b ist die Stromspannungskennlinie der in Abb.
2 als Spannungsteiler ausgebildeten Erregerwicklung i. (Die Wirkung .der angeschlossenen
Batterie ist wegen Geringfügigkeit für das Verhaltender Wicklung z bei Erläuterung
der Wirkungsweise der Schaltung belanglos.) Ohne die im unteren Spannungsbereich
in gegenerregendem Sinne arbeitende Wicklung -2 spränge die Generatorspannung bis
zum Schnittpunkt der Linien a und b.
Die gegenerregende bzw. oberhalbdes
Schnittpunktes der Linien a und b erregende Wirkung der Wicklung 2
ergibt in ihrem Zusaminenwirken mit Wicklung i die zurückverlegte Schaulinie c.
Die von den Klammern bezeichneten Erregungsgrößen müssen bei den angeschriebenen,
sieh aus derDivision einergleichbleibenden Zahl (hier gewählt: 300) mit der jeweiligen
Spannung ergebenden Stromstärken auftreten. Demgemäß muß auch die dieWicklung 2
speisende Hilfsmaschine unter dem Einlluß der beiden Wicklungeil3 und 5 eine in
Abb. ,I dargestellte, vom Hauptstrom abhängige Spannungskennlinie ergeben. Die von
der hauptstromdurchflossenen Wicklung3 stark gesättigte Hilfsmaschine H erreicht
bei größtem Hauptstrom die Größe der Batteriespannung, so daß die inWindungszahl
undWiderstand passend bemessene gegenerregendeWicklung 5 stromlos ist. Der Einfluß
der Wicklung 5 nimmt jedoch mit wachsendem Spannungsunterschied Batterie-Hilfsmaschine
zu und überwiegt schließlich den Einfluß der Wicklung 3 d erart, -daß die Spannung
der Hilfsniaschine sogar negativ wird. Eine Nachrechnung der passend bemessenen
Hilfsmaschine bringt den Nachweis einer genügendenDeckung finit der in Abb..I geforderten
Kennlinie. Der nun noch vorhandene Unterschied zwischen den Kennlinien a und c (Abb.
3) wird durch die auf dein Hauptgenerator in passender Windungszahl angeordneteVerbundwicklungq.
(Abb. 2) ausgeglichen. In Abb. 3 deckt sich die zu der als Abszisse gedachten Kennlinie
c als Hyperbel verlaufende Kennlinie d der verständlicheren Darstellungsweise halber
nicht (etwa infolge zu starker Shuntung der Wicklung 4.) mit der gesamten Kennlinie
a.
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Die beschriebene Schaltungsanordnung ist frei von den bei der bekannten
Schaltung nach nach Abb. i vorhandenenSchwierigkeiten. Die für das Lichtnetz erforderliche
kleine Batterie ist nur für den Strombedarf des Lichtnetzes zu bemessen. Das Vorhandensein
der Batterie wird -zwar für die selbsttätige Spannungsregelung des Hauptgenerators
benutzt, jedoch wird ihr zu diesem Zwecke kein Strom entnommen.
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Das Zusammenarbeiten der Fremderregung mit der Selbsterregung des
Hauptgenerators hat folgende wesentliche Vorteile: i. Da der Hauptgenerator im Aufbau
seines Feldes von der Fremnderregung unterstützt wird, so ist die Erregungszeit
sehr kurz im Gegensatz zu dein von Generatorschaltungen mit reiner Selbsterregung
beanspruchten Zeitraum, dessen Größe zu Beanstandungen führen kann.
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2. Andererseits ist die Schaltungsanordnung infolge des großen Anteils
der Selbsterregung an der Gesamterregung nicht so starr in ihrer Leistungsanforderung
an den Brennkraftmotor wie andere bekannte Kennlinienschaltungen, d. h. der Brennkraftinotor
wird bei vorübergehender Minderleistungsfähigkeit nur wenig in der Drehzahl gedrückt,
während die starren Schaltungen den Brennkraftmotor abwürgen. .
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3. Die Leistung der Hilfsmaschine wird außerordentlich klein. Die
außerordentliche Kleinheit der Hilfsmaschine hat folgende Vorteile: a) Die Kleinheit
der Hilfsmaschine erlaubt ihren Antrieb durch Riemen oder andereÜbertragungsmittel
und ihre Unterbringung an untergeordneter Stelle, während der bisher übliche koaxiale
Antrieb,derangebautenHilfsmaschine oder sogar zweier Hilfsmaschinen die Baulänge
des Hauptgenerators erheblich vergrößerte und kostbaren Platz wegnahm.
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b) Die Übersetzungsmöglichkeit beim Riemenantrieb erlaubt eine schnell
laufende Maschine kleiner Abmessungen, während die gleicheDrehzahlvon Haupt-un-dHilfsmaschine
bei koaxialerBauart einenLangsamläufer mit entsprechend großen Abmessungen für die
Hilfsmaschine erforderte.
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c) Die feste Kupplung von Haupt- und Hilfsmaschine erforderte auf
dem Prüfstand zwecks Abgleichens zur Korrektur des Luftspaltes und des Eisenweges
den mühsamen und zeitraubendenAusbau der Hilfsmaschine, während das neue System
sich mit der etwa erforderlichen Auswechslung von Riemenscheiben und Änderung der
Erregung (passende Parallel- oder Vorwiderstände) begnügt.
d) Der
feste Zusammenbau der beiden Maschinen verhinderte die getrennte Vorprüfung der
Hilfsmaschine und verlängerte demnach die Lieferzeiten.
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Zubehör Die von der Hilfs- oder Hauptmaschine in feldschwächendem
Sinne gespeiste Zusatzwicklung 7 des Fahrmotors 3-I ist als zusätz-1 icher erfindungsgemäßerBestandteil
derS chaltun.g aufzufassen. .Sie ersetzt die in der Praxis zur Vergrößerung des
Geschwindigkeitsbereiches angewendete, mit Stromstößen verbundene Feldschwächung
der Hauptschlußwicklung 6 und ordnet die Feldschwächung des Motors in die Selbsttätigkeit
der Fahrweise ein.
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Das Ladeventil L verhindert die Entladung der Lichtbatterie bei stillstehendem
oder zu langsam laufendemGeneratorüberseineWicklung i. Selbstverständlich können
normale Geräte mit vom Ladezustand der Batterie abhängiger, selbsttätiger Einstellung
als vollständige, aus dem Widerstand R und dem LadeventilL vereinigteLa@dee-inrichtungen
verwendet werden.
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Der bei stillstehendemFahrzeug eingeschaltete Schalter S bewirkt infolge
der gegenerregenden Wicklung 2 Stromlosigkeit im Hauptstromkreis. Bei den von der
Praxis als günstig bezeichneten Betriebsspannungen von 6oo bis 700 Volt für
den 3o0- bis 400 kW-Hauptgenerator und etwa 6o Volt für die Batterie ist die Windungszahl
der Wicklung 2 in der Größenordnung der Summe derbeiden Reihenschlußwicklungen 4
und 6, so daß eine hinreichende Gegenerregung gewährleistet ist. Sollte der Strom
in der Wicklung 2 infolge des Abfließens über die Hilfsmaschine H nicht die nötige
Stärke erlangen, so muß auch Umschalter A beim Schließen des Schalters S auf die
Mittelstellung gebracht werden. Bei lohnender Spannungshöhe an der durch den Remanenzstrom
erregten Hilfsmaschine könnte dieser leicht mittels eines weiteren Umschalters in
Reihe mit .dein Hauptgenerator G und Wicklung 2 gelegt werden, wobei er durch Saugwirkung
auf Wicklung4:den Generator G stark entregt.