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Steuerung für elektrisch betriebene Fahrzeuge Im Patent 653 666 wird
zum Zwecke eines möglichst stoßfreien Anlassens oder Bremsens von Motoren die Shuntung
des vom Hauptstrom durchflossenen Feldes des Triebmotors durch eine sog. Ausgleichmaschine
beschrieben. Die Wirkung beruht darauf, daß die Ausgleichmaschine mit zunehmender
Drehzahl ihre Eigenschaft als Nebenschluß zum Hauptfeld stetig verliert. Diese Wirkung
ist vollkommen auf jener Schaltstufe, bei welcher die Ausgleichmaschine aus dem
Stillstand hochläuft. Diese Erscheinung ist folgendermaßen zu erklären: Infolge
der sprunghaften Änderung der elektrischen Verhältnisse im Stromkreis des Triebmotors
durch die Unstetigkeit der Schaltstufen wächst unvermeidlich auch der Ankerstrom
im Hauptstromkreis sprunghaft. Außerdem ist aber das Hauptfeld, da die Ausgleichmaschine
sich auf Drehzahl befindet, bereits voll ausgebildet, weil der Ankerstrom der vorausgehenden
Stufe mit Ausnahme eines den Leerlaufstrom der Ausgleichmaschine bildenden Restes
durch die Hauptfeldwicklung fließt. Da nun das Drehmoment dem Produkt aus Ankerstrom
und Feld entspricht und einer dieser beiden Faktoren unstetig angewachsen ist, so-
muß selbst bei augenblicklich gleichbleibendem Feld das Produkt dieser beiden Faktoren
ebenfalls unstetig zunehmen. Gegenüber einem Triebmotor ohne Ausgleichmaschine besteht
hierin ein namhafter Vorteil, weil wenigstens einer der beiden Faktoren, das Feld,
dank der Wirkung der Ausgleichmaschine im Augenblick des plötzlichen Ansteigens
des anderen Faktors, des Ankerstromes, noch unverändert bleibt. Ohne die Ausgleichmaschine
würde auch das Feld entsprechend dem Ankerstrom nach Maßgabe der Sättigung plötzlich
anwachsen, so. daß das Produkt aus diesen beiden das Drehmoment oder beispielsweise
bei einem Fahrzeug die Zug- oder Bremskraft in noch schrofferem Maße sprunghaft
zunimmt.
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Auf derjenigen Schaltstufe, auf welcher der Motor aus dem Stillstand
hochläuft, wird nun darüber hinaus auch ein sprunghaftes Anwachsen des Drehmomentes
in vollkommener Weise vermieden. Dies ist darin begründet, daß im Augenblick des
Zuschaltens eine sprunghafte Verminderung des Feldes erzeugt wird und im weiteren
Verlauf der auf diese Weise eingeleiteten Schaltstufe diese Verminderung stetig
wieder aufgehoben wird. Es wird also die Wirkung der plötzlichen Zunahme des Ankerstromes
auf das Drehmoment
durch eine etwa ebenso heftige Verminderung des
Feldes ausgeglichen.
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Die vorliegende Erfindung stellt . e'ne#, weitere Ausgestaltung der
im HauptpA#angegebenen Steuerung dar. Diese wir@,da;@ durch erreicht, daß beim Überschalten
,vo einer Stufe zur nächsten die Gegen-EMK des Hilfsmaschinenankers durch besondere
Mittel herabgesetzt wird.
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Die Aufhebung des Drehmomentstoßes als Folge der plötzlichen Zunahme
des Ankerstromes gelingt am vollkommensten, wenn die Verminderung des bestehenden
Feldes mindestens im Verhältnis des Ankerstromzuwachses erfolgt. Zur unstetigen
Verminderung des Hauptfeldes dient beispielsweise ein unvermitteltes Einschalten
eines entsprechend bemessenen Nebenschlußwiderstandes parallel zum Feld. Zur stetigen
Entfernung der Shuntw irkung dient. die Ausgleichmaschine, welche mit dem genannten
Shuntwiderstand in Reihe liegt. Damit die Ausgleichmaschine auf jeder Schaltstufe
voll zu wirken vermag, d. h. vom Stillstand oder mit einer nur geringen Drehzahl
beginnend hochläuft, wird ein ihren Anker kurzschließender Schalter vorgesehen.
Wird dieser Schalter jeweils im Zeitpunkt der Überschaltung geschlossen, so tritt
zweierlei ein: Durch das Kurzschließen des Ankers der Ausgleichmaschine wird dieser
sofort zum Stillstand gebracht. Außerdem wird der Nebenschlußwiderstand unmittelbar
an das Hauptfeld angeschlossen. Dadurch kann der Widerstand zunächst die gewünschte
Wirkung einer plötzlichen Feldschwächung ausüben. Wird, nachdem der Anker der Ausgleichmaschine
ganz oder nahezu zum Stillstand gelangt ist, der Schalter wieder geöffnet, so steht
der Nebenschlußwiderstand über den noch stillstehenden Anker der Ausgleichmaschine
mit dem Hauptfeld in Verbindung. Sieht man von dem Anker- und Bürstenübergangswiderstand
ab, so ist auch diese Verbindung noch praktisch als unmittelbar anzusehen und bewirkt
nahezu die volle, dem Widerstandswert des Shunts zukommende Feldschwächung. Mit
dem hierauf folgenden Hochlaufen der Ausgleichmaschine auf die neue Beharrungsdrehzahl
infolge des den Nebenschlußkreis durchfließenden Stromes wird der dem Hauptfeld
ursprünglich entzogene Strom mit Ausnahme des. Leerlaufstromes der Maschine in das
Hauptfeld mit einer gewissen stetigen Geschwindigkeit wieder zurückgedrängt und
der Shunt gleichsam stufenlos ausgeschaltet. Demzufolge wächst auch das entwickelte
Drehmoment des Triebmotors stetig an.
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Die Aufgabe, Stromstöße beim Übergang von einer Stellung zur anderen
zu vermeiden, ist bekannt. So hat man beispielsweise bereits bei Stromrückgewinnungsschaltungen
von Nebenschlußmotoren, zum Zwecke eines stoß-,'freien Überganges von der Reihen-
auf die Tarallelschaltung, im normalen Betrieb kurz-Hauptfelder beim Übergang einmalig
geöffnet und nach dem Übergang wieder kurzgeschlossen. Es ist auch bekanntgeworden,
Hilfsmaschinen parallel zu Hauptschlußfeldern zu schalten, allerdings nicht zu Ausgleichszwecken,
sondern zwecks beliebiger Änderung der Motorkennlinie. Diese Hilfsmaschinen können
auch nicht als Ausgleichmaschinen entsprechend der vorliegenden Erfindung wirken,
da sie nicht frei beweglich, sondern motorisch angetrieben sind.
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Die Abb. i zeigt eine nach der Erfindung aufgebaute Bremsschaltung
beispielsweise des Triebmotors eines Fahrzeugs. Es bedeuten i den Anker und 2 das
Feld des Triebmotors, welche über den Stufenschalter 3 an die Bremswiderstände q.
angeschlossen - werden. Parallel zum Feld des Triebmotors liegt der Nebenschlußwiderstand
5 und mit ihm in Reihe der Anker der Ausgleichmaschine 6, welcher durch den Schalter
7 kurzgeschlossen werden kann. Der Schalter 7 ist der Kontakt eines Relais mit der
Spannungsspule 8 und der Stromspule 9. Die Spannungsspule wird beim jedesmaligen
Überschalten des Stufenschalters von einer geeigneten Stromquelle 13 aus erregt
und schließt dadurch die Schalterkontakte, so daß die oben geschilderten Vorgänge
beginnen. Die Stromspule 9 liegt im Stromkreis des Ankers der Ausgleichmaschine
und ist so ausgelegt, daß sie nur so lange imstande ist, das Kurzschließrelais eingeschaltet
zu halten, als durch den in der Kurzschlußbremsschaltung liegenden Anker 6 ein zusätzlicher
Strom durch sie geschickt wird. Obwohl die Erregung der Spannungsspule 8 nur eine
vorübergehende im Augenblick des Überschaltens ist, verbleibt also das Relais auch
nachher noch geschlossen,- bis von dem vereinten Nebenschluß- und Kurzschlußstrom
in der Spule 9 der letztere abgeklungen ist.
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Zur Einleitung der Bremsung wird der Schalter 3 in die Stellung i
bewegt, und die Kontakte 2o werden durch den Starkstrombelag i9 überbrückt. Die
Bremsung setzt stoßfrei ein, da das Feld 2 beim Entstehen des Bremsstromes nur sehr
wenig Strom führt. Der Bremsstrom verläuft nämlich über den Anker z und dann über
den parallel zurr Felde 2 liegenden Anker der Ausgleichmaschine 6 und den Ohmschen
Widerstand 5. Der Nebenschluß, welcher aus den Elementen 5 und 6 besteht, hat die
Wirkung, das Feld 2 kräftig zu shunten, so daß das Feld einen geringen Strom führt
und daher das Bremsmoment wegen Ausbleibens der-einen Komponente sehr niedrig ist.
Die Maschine 6 läuft
allmählich hoch, vergrößert dadurch ihre Gegen-EMK,
so daß der durch den Nebenschluß fließende Strom immer kleiner wird, dagegen der
Strom im Felde 2 und damit das Bremsmoment stetig anwachsen. Bei Erreichung des
Dauerzustandes auf Stufe i hat daher die Maschine 6 eine Gegen-EMK, welche im wesentlichen
gleich ist der Klemmenspannung am Feld 2.
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Nunmehr wird auf die Stellung 2 des Fahrschalters 3 weitergeschaltet.
Dadurch wird die erste Stufe des Ankervorschaltwiderstandes .4 kurzgeschlossen und
der Strom im An- = ker i erhöht. Es entsteht aber kein Bremsstoß, da gleichzeitig
in ungefähr dem gleichen Maße die Erregung des Feldes 2 durch besondere Mittel herabgesetzt
wird. Zur Schwächung des Feldes 2 dient der Kurzschlußschal- : ter 7, dessen Spannungsspule
8 durch den Belag 16 beim Übergang von einer Stufe zur anderen erregt wird. Der
Belag 16 schließt über die Kontakte 17 die Spule 8 an die Spannungsquelle 13, so
daß der Schalter 7 geschlossen wird und die Ausgleichmaschine 6 in Kurzschlußbremsung
abgebremst wird. Der Kurzschlußbremsstrom läuft durch die als Haltespule wirkende
Stromspule 9, während die Spannungsspule 8 auf der vollen Schaltstellung -2 von
der Spannungsquelle 13 bereits abgeschaltet ist. Dadurch wird der Ankerkurzschluß
tatsächlich, und zwar selbsttätig bis zum ungefähren Stillstand der Ausgleich- .
maschine aufrechterhalten. Hierauf öffnet das Relais ebenso selbsttätig seine Kurzschließkontakte
7.
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Da der Anker der Ausgleichmaschine 6 abgebremst ist, weist die Maschine
nur eine geringe Gegen-EMK auf, das Feld 2 wird also erheblich geschwächt, und zwar
hat das Feld nuninehr eine geringere Erregung, als es im Dauerzustand auf der Stufe
i hatte. Sowie nach einer bestimmten Abbremsung die Kontakte 7 öffnen, ist der Kurzschluß
der Maschine 6 aufgehoben, so daß sie, wie bereits beschrieben, wieder hochlaufen
und den Feldstrom allmählich verstärken kann.
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Eine noch vorteilhafter arbeitende Schaltung ist in. Abb. 2 dargestellt.
Bei dieser Anordnung ist der Anker der Ausgleichmaschine 6 beim Übergang von einer
Stufe zur nächsten bereits abgebremst, da er bei Beendigung der vorhergehenden Schaltstufe
in seiner Drehzahl herabgesetzt wurde. - Die Kurzschlußabbremsung wird durch ein
Ruhekontaktpaar 14 des Kurzschlußrelais bewirkt. Das Arbeitskontaktpaar 14' ist
im Ruhezustand unterbrochen, so daß zwischen dem Nebenschlußwiderstand 5 und dem
Anker der Ausgleichinaschine 6 keine Verbindung besteht. Ferner liegt die Stromspule
9 nicht im Kurzschlußstroinkreis, sondern in Reihe mit dem Nebenschlußwiderstand
5 und der Ausgleichmaschine und ist so ausgelegt, daß der den Nebenschlußwiderstand
5 durchfließende Strom genügt, das Relais eingeschaltet zu halten, wobei jedoch
der Kurzschließkontakt (Kontaktpaar 14) geöffnet ist. Außer dem Kurzschließrelais
ist ein als Doppelrelais ausgebildetes Steuerrelais 15 vorhanden, dessen eine Spule
io nur während des Überschaltens vorübergehend durch den Belag 16 und die Kontaktfinger
17 des Fahrschalters angesteuert wird. Das Steuerrelais 15 hat eine Ein- und Ausschaltstellung;
es verbleibt stets in derjenigen Stellung, in welche es durch die gegeneinanderwirkenden
Spulen io und 12 gebracht wurde. Ist es durch die Spule io, wenn auch nur vorübergehend,-
erregt, dann hält es seine Kontakte i i so lange geschlossen, bis durch Erregung
der Spule 12 der Kontakt in die Ausschaltstellung bewegt wird.
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Wird der Fahrschalter 3 in die erste Stellung bewegt, dann wird zunächst
durch den Starkstrombelag i9 der Kurzschlußbrernsstromkreis des Triebmotors geschlossen.
Durch den Belag 16 werden die Kontakte 17, und zwar bereits vor Erreichung der vollen
Schaltstufe i, überbrückt. Hierdurch wird die Spule io vorübergehend erregt und
der Kontakt i i geschlossen. Auf der vollen Schaltstellung i ist zwar die Erregung
der Spule io unterbrochen, das Steuerrelais 15 bleibt aber, wie bereits angedeutet,
in der Schließlage und legt hierbei über den Kontakt i i die Spannungsspule 8 an
Spannung. Das Kurzschließrelais überbrückt daher seine Arbeitskontakte i,', so daß
beim Einleiten der Bremsung des Triebmotors nunmehr parallel zu seinem Feld folgende
Elemente untereinander in Reihe geschaltet sind: Der Anker der Ausgleichmaschine
6, der Kontakt 14' des Kurzschlußrelais, die Stromspule 12 des Steuerrelais 15,
die Stromspule 9 des Kurzschlußrelais, der Widerstand 5. Der Gesamtwiderstand aller
dieser Elemente ist sehr gering, so daß ein erheblicher Strom durch sie fließen
kann und das Feld 2 sehr schwach ist. Trotz des einsetzenden Ankerstromes des Triebmotors
wird also die Bremsung nicht stoßartig einsetzen. Erst wenn der bis dahin stillstehende
Anker der Ausgleichmaschine 6 sich durch den Strom allmählich beschleunigt und eine
Gegen-EMK entwickelt, nimmt der Strom im Nebenschlußstromkreis zum Feld 2 allmählich
ab und dagegen der Feldstrom und die Bremswirkung des Triebmotors zu.
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Da der Nebenschlußstrom über die Stromspule 12 des Steuerrelais 15
geführt ist, wird dieses dadurch in seine Ausgangs- und Bereitschaftslage zurückgezogen.
Hierdurch wird der Kontakt i i unterbrochen und die Spule 8 aberregt. Der einsetzende
Ne:benschlußstrom
zum Feld 2 hält aber das Kurzschließrelais durch
die Spule 9 so lange in dieser Lage fest, bis er auf den Leerlaufström des Ankers
der Ausgleichmaschine zurückgesunken ist. Nach dem Abklingen des Nebenschlußstromes
fällt das Kurzschließrelais ab und öffnet seinen Arbeitskontakt iq', so daß der
Nebenschlußstromkreis unterbrochen und die Shuntung des Hauptfeldes 2 völlig beseitigt
ist. Gleichzeitig wird durch die Schließung des Ruhekontaktes 14 die Kurzschlußbremsung
der Ausgleichmaschine vollzogen.
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Beim Übergang von der Stufe i zur Stufe 2 wird wiederum durch den
Belag 16 zunächst der stillstehende Anker der Ausgleichmaschine 6 in Reihe mit den
Elementen 5, 9 und 12 an die Klemmen des Feldes 2 geschaltet, so daß wieder eine
erhebliche Feldschwächung eintritt, welche erst durch das Hochlaufen der Ausgleichmaschine
6 allmählich beseitigt wird. Durch diese Schaltung ist also die Kurzschlußbremsung
an den Schluß der Schaltstufen verlegt. Durch die damit mögliche und verbundene
Abtrennung des Nebenschlußstromkreisesbleibt die volle größtmögliche Drehmomententwicklung
der Stufe auch während des Stillsetzungsvorgatlges der Ausgleichmaschine vorhanden.
Es geht also hierfür keine Zeit verloren. Da ferner das Steuerrelais nur geringe
Steuerströme zu schalten hat, läßt es sich trägheitsloser bauen. als das Kurzschlußrelais
und ist daher besser geeignet, auch bei sehr kurzen Steuerstromstößen noch seine
Aufgabe einwandfrei zu erfüllen. Die Stillsetzung der Ausgleichtnaschine braucht
nicht erst am Beginn der neuen Schaltstufe durchgeführt zu werden, sondern ist bis
dahin bereits erfolgt, so daß mit dem Einschalten der neuen Stufe die stillstehende
Ausgleichmaschine schon wirkungsbereit ist.
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Eine Schaltung, bei welcher Relais in Fortfall kommen, ist in Abb.
3 dargestellt. Bei dieser Schaltung werden zwei Hilfsmaschinen 26 und 36 verwendet,
welche in den vollen Schaltstellungen abwechselnd als Shunt dienen bzw. in Kurzschlußbremsschaltung
liegen. Auf der vollen Stellung i ist die Maschine 26 über die Beläge 2o und 21
sowie die Kontakte 22 und 23 in Reihe mit dem Widerstand 5 in einem Nebenschlußstromkreis
zum Felde 2 gelegt und bewirkt hierbei zunächst eine Feldschwächung, welche durch
das Anwachsen der Drehzahl der Maschine 26 stetig herabgesetzt wird. Auf der gleichen
Schaltstufe ist die Maschine 36 über den Belag 20 und die beiden Kontakte 2q., 25
kurzgeschlossen. Dies ist zunächst ohne Wirkung, da die Maschine 36 sowieso die
Drehzahl Null aufweist.
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Wird nun der Fahrschalter 3 in die Stellung 2 bewegt, dann ist der
Anker der Maschine 36 in einen Nebenschluß zum Feld 2 gelegt. Der Nebenschlußstromkreis
verläuft von der oberen Klemme des Feldes 2 über den Widerstand 5, den Anker der
Maschine 36, den Kontakt 24, den Belag 21, den Kontakt 22 zur unteren Klemme des
Feldes 2. Der Anker der Maschine 36 bildet also einen wirksamen Nebenschluß zum
Felde 2, so daß ein Bremsstoß nicht eintritt. Die Maschine 26, welche beim Übergang
von der Stufe i zur Stufe 2 eine hohe Drehzahl hatte, liegt nun über den Belag 2o
und die Kontakte 23 und 25 in der Kurzschlußbremsschaltung und wird abgebremst,
Wird nun weitergeschaltet, dann wird die Maschine a6 im Nebensehluß an das Feld
2 gelegt, während auf dieser Stufe 3 die auf Stufe 2 auf hohe Drehzahl gelangte
Maschine 36 abgebremst wird.
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Eine weitere besonders wirkungsvolle Kompensierung der Ankerstromspitze
des Triebmotors ist erfindungsgemäß durch Gegenstrombremsung der Ausgleichmaschine
zu erzielen. Die Gegenstrombremsung ist in einfacher Weise durch Umpolen des Ankers
oder des Feldes der Ausgleichmaschine im Augenblick der Überschaltung von einer
Schaltstufe auf die andere zu erreichen. Auf der neuen Stufe steht die Ausgleichmaschine
nicht nur still, sondern hat eine Drehzahl, welche eine der Spannung des Feldes
:2 gleichgerichtete Spannung hervorruft. Es tritt daher eine besonders kräftige
Shuntung ein, insbesondere "venn die Maschine mit voller Gegendrehzahl läuft. Die
nun sogar selbst in stromentziehendem Sinne wirksame elektromotorische Kraft der
Ausgleichmaschine gestattet eine wesentliche Vergrößerung des Nebenschlußwiderstandes
5. Ferner bietet die Gegenstrombremsung den weiteren Vorteil, daß sie im Gegensatz
zur Kurzschlußbremsung sofort das gewünschte stetige Anwachsen des Feldes 2 zur
Folge hat. Das stetige Anwachsen des Feldes 2 setzt bei der Umpolung der Ausgleichmaschine
sofort ein, weil schon die Verlangsamung der aus der vorausgegangenen Schaltstufe
übernommenen Drehzahl eine stetige Zurückdrängung des Nebenschlußstromes in das
Feld 2 einleitet. Dies ist einleuchtend, wenn man bedenkt, daß mit der Drehzahl
auch die in stromaufnehmender Richtung wirksame Eigenspannung der Ausgleichmaschine
sinkt. Die Abnahme der Stromverdrängung setzt sich auch mit dem Erreichen des Stillstandes
und darüber hinaus mit dem neuerlichen Anschwellen der Drehzahl der Ausgleichmaschine
im umgekehrten Drehsinn fort, weil nunmehr der zur Beschleunigung der Ausgleichmaschine
im neuen Drehsinn erforderliche Strom mit zunehmender Drehzahl immer geringer wird.
In
Abb. 4 ist die Schaltung mit einer umpolbaren Ausgleichmaschine wiedergegeben. Der
Polwender besteht aus zwei sich in abwechselnder Reihenfolge auf jeder Stufenstellung
der Schaltwalze wiederholenden Belägen 27, 28, welche von den Fingern der Zuleitungen
zur Ausgleichmaschine 6 und Feld a bestrichen werden.
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Dieses Verfahren ist mit dem geringsten Aufwand an Mitteln durchführbar,
weil die Umpolung unmittelbar durch den Fahrschalter ohne Zuhilfenahme von Relais
vorgenommen werden kann und nur eine Ausgleichmaschine erforderlich ist. Die Vergrößerung
des festen Nebenschlußwiderstandes 5 bietet auch den Vorteil, daß beispielsweise
bei der Kurzschlußbremsung des Triebmotors die Selbsterregung desselben auf der
ersten wirksamen Bremsstufe durch die noch stillstehende Ausgleichmaschine nicht
zu stark verzögert wird. Andererseits hat dieser Widerstand 5 die vorteilhafte Wirkung,
ein zu heftiges Anwachsen des Gegenstromstoßes, welches der Ausgleichmaschine nicht
zuträglich wäre, zu unterdrücken.
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Die Gegenstromwirkung kann auch dadurch hervorgerufen werden, daß
man die in Abb. 4 als fremdartige Wicklung dargestellte Feldwicklung der Ausgleichmaschine
6 umpolt.
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Wirdeineeigenerregte Nebenschlußmaschine verwendet, dann kann man
die Anordnung so treffen, daß der Anker und das Feld beim Übergang von einer Stufe
zur nächsten abgeschaltet werden; die Feldklemmen werden dann beim Wiederanschließen
der Maschine an das Feld 2 umgepolt. Dadurch wird erreicht, daß der Wiederaufbau
des eigenen Feldes durch die Shuntwirkung der Ausgleichmaschine nicht zu lange verzögert
wird. Andernfalls würde dies auch die Rückbildung der Shuntung des Feldes des Triebmotors
zu lange verhindern.
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Es ist nicht unbedingt erforderlich, die Ausgleichmaschine abzubremsen.
Man kann vielmehr auch die Gegen-EMK der Maschine dadurch erniedrigen, daß man die
Erregung beim Überschalten fortnimmt. Die Anordnung wird dann so, getroffen, daß
das Feld der Ausgleichmaschine beim Überschalten aberregt wird, während der Anker
mit den Klemmen des Feldes 2 verbunden bleiben kann. Auf der vollen Stufe wird das
Feld wieder zugeschaltet. Der Anker bildet einen kräftigen Shunt. Die Gegen-EMK
ist auf der vollen Stufe vor allen Dingen deswegen klein, weil das Feld zunächst
unerregt ist und sich erst langsam aufbaut. Die Verzögerung des Feldaufbaues wird
auch dadurch begünstigt, daß die Spannung an den Klemmen des Feldes 2 durch den
vollkommenen Shunt, den die zwar sich drehende, aber unerregte Ausgleichmaschine
beim Überschalten bildet, stark abgesunken ist.
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Die Anordnung kann auch so getroffen werden, daß auf den Feldpolen
der Ausgleichmaschine eine dem normalen Feld entgegenwirkende Wicklung aufgebracht
ist, welche vom Ankerstrom des Triebmotors durchflossen wird.