DE682954C - Anordnung mit einem Gleichstromerzeuger, der Verbrauchsapparate speist, deren Betrieb veraenderliche Spannungs- und Stromverhaeltnisse erfordert oder zulaesst, insbesondere fuer brennkraftelektrische Fahrzeugantriebe - Google Patents

Description

In gewissen Fällen ist es wünschenswert, daß · die von einem mit nahezu unveränderlicher Drehzahl angetriebenen Stromerzeuger verbrauchte Leistung möglichst konstant gehalten wird. Dies ist häufig der Fall, wenn der Antriebsmotor des Stromerzeugers eine mit annähernd gleichbleibender Drehzahl umlaufende Wärmekraftmaschine ist, insbesondere bei brennkraftelektrischen Fahrzeugantrieben mittels Gleichstromes. Trotz der Änderungen des von den Fahrmotoren aufgenommenen Stromes z. B. während des Anfahrens des Zuges oder durch die Unebenheiten des Streckenprofils kann die von der Wärmekraftmaschine an den Generator zu liefernde Leistung tatsächlich für die Wärmekraftmaschine entweder eine Überlastung darstellen, die sie nicht liefern kann, oder sie kann wesentlich unterhalb der Leistung bleiben, die sie abgeben kann.

Die Spannung V und der Strom/ des mit der Wärmekraftmaschine gekuppelten Stromerzeugers müssen demnach durch die Beziehung

V-I=.K

verbunden sein, wobei K eine Konstante ist.

Anders ausgedrückt, muß die äußere Strom-

Spannungs- Charakteristik des Stromerzeugers die Form einer gleichseitigen Hyperbel besitzen. Diese Kurve wird dabei einerseits, durch die Sättigung des Stromerzeugers begrenzt, die eine Steigerung seiner Spannung über einen gewissen Wert hinaus ohne unzu-° lässige Erwärmung der Erregerpole nicht gestattet, während andererseits' der Strom eine gewisse Stärke nicht überschreiten darf. Daraus folgt, daß für die Einrichtung eines brennkraftelektrischen Fahrzeugantriebes die ideale Betriebsweise durch die in Abb. 1 dargestellte Strom-Spannungs- Charakteristik gegeben ist: Anlauf mit Höchststrom (Strecke AB), Betrieb mit konstanter Leistung nach der Hyperbel BCD und bei konstanter Spannung (Strecke DF).

Bei den meisten bekannten Anordnungen besitzen die mit der Wärmekraftmaschine gekuppelten Stromerzeuger oder Generatorerregeraggregate eine Stromspannungscharakteristik nach der Kurve B GD nach Abb. 2. Hierbei genügen nur zwei Punkte B und D der vorgeschriebenen Bedingung der Gleichheit zwischen den Leistungen des Stromerzeugers und der Wärmekraftmaschine.

Die Übertragung würde unter günstigeren Verhältnissen erfolgen, wenn diese Charakteristik gegen den Ursprung nicht konkav, sondern zwischen den Punkten B und D

geradlinig wäre, und noch besser wäre es, wenn sie eine nach oben konkave Form, also etwa den Verlauf nach Abb. ι besäße.

Es sind auch Anordnungen bskanntgew den, mit denen innerhalb gewisser Gren diese nach oben konkave Form erreicht wi Die bekannten Anordnungen sind jedoch verhältnismäßig kompliziert und besitzen nicht die für brennkraftelektrische Fahrzeugantriebe ίο wichtigen Eigenschaften, von denen unten noch die Rede sein wird. Gemäß der Erfindung soll mit Hilfe einer einzigen Erregermaschine der Generator eine Charakteristik erhalten, die in gewissen Grenzen geradlinig ist oder sogar eine nach oben konkave, einer gleichseitigen Hyperbel ähnliche Form besitzt. Ferner soll durch die Erfindung erreicht werden, daß bei geringen Spannungen ein Betrieb mit konstantem Strom und bei hohen Spannungen ein Betrieb mit nahezu konstanter Spannung durchführbar ist. Schließlich werden durch die Erfindung weitere Anordnungen geschaffen, die die Übertragung besonders im Hinblick auf den Fahrzeugantrieb verbessern.

Die erfindungsgemäße Anordnung geht von einer bekannten Anordnung aus, bei der die in Abb. 3 mit E bezeichnete Erregermaschine, von der angenommen ist, daß sie mit praktisch gleichbleibender Geschwindigkeit z. B. durch die den Stromerzeuger H antreibende Wärmekraftmaschine angetrieben wird, im Prinzip auf ihren Erregerpolen folgende drei Erregerwicklungen besitzt:

eine Nebenschlußerregerwicklung s, deren Widerstandsgerade mit dem geradlinigen Teil 'der Magnetisierungskurve der Erregermaschine zusammenfällt (Abb. 4), eine Fremderregerwicklung c, die mit kon-■ stantem Strom gespeist wird,

eine Wicklung a, die hier Stromwicklung genannt wird und von dem durch den Stromerzeuger H, dessen Erregerwicklung djrekt von der Erregermaschine E gespeist wird, erzeugten Strom durchflossen wird.

In einem Arbeitspunkt M der Erregermaschine E (Abb. 4), die eine Spannung u — OL liefert, sind die Amperewindungen der Nebenschlußerregerwicklung durch LMj die Amperewindungen der Fremderregerwicklung durch MN wiedergegeben, und die Amperewindungen der dritten Wicklung, der Stromwickhmg, sind gleich und entgegengesetzt dem WertiViTV". Der Betrieb der Erregermaschine E stellt sich immer so ein, daß die durch die Stromwicklung erzeugten Amperewindungen den Amperewindungen der Fremderregerwicklung das Gleichgewicht halten. Der von dem Stromerzeuger H gelieferte Strom ist demnach konstant, solange die Erregermaschine E nicht gesättigt ist. Dieser Strom nimmt jedoch ab, wenn der Arbeitspunkt den gekrümmten Teil der Magnetisierungskurve erreicht. Der erzeugte Strom %rird dann nur noch durch N'M₁ anstatt durch Λ'Μ' wiedergegeben.

ff. Um das oben angegebene Ziel zu erreichen, wird gemäß der Erfindung auf die Erregerpole einer Erregermaschine der beschriebenen Art eine vierte Wicklung aufgebracht, die Spannungswicklung genannt wird und an die Klemmen des Stromerzeugers angeschlossen ist. Die Abb. 4 a zeigt eine derartige Anordnung, bei welcher die Erregermaschine E, die praktisch mit gleichbleibender Geschwindigkeit angetrieben wird und z..B. auf der Welle des Hauptstromerzeugers H sitzt, auf ihren Polen außer der fremderregten Wicklung c, der Nebenschlußerregerwicklung s und der Stromwicklung α eine mit den Klemmen des Stromerzeugers H verbundene Spannungswicklung ν besitzt. Nach denselben Überlegungen wie in dem Falle der Erregermaschine mit den drei Wicklungen ergibt sich, daß die Erregermaschine, solange sie nicht gesättigt ist, die Summe -der Amperewindungen der Strom- und der Spannungswicklung konstant hält, d. h. daß

a V + bl = K₁,

wobei a, b und K₁ Konstanten sind.

Diese Gleichung ist nichts anderes als die Gleichung einer Geraden. Durch geeignete Wahl der Konstanten kann sie leicht durch zwei vorher bestimmte Punkte B und D gelegt werden.

Gemäß der Erfindung erhält man den Anlauf mit konstantem Strom (Strecke AB nach Abb. 1), indem man zeitweise die Wirkung der Spannungswicklung aufhebt, so daß die Erregermaschine dann nach dem Diagramm der Abb. 4 arbeitet. Um diese Wirkung zu erreichen, genügt es also, den Schalter k, der den Kreis der Spannungswicklung unterbricht, zu öffnen. Je nach den Umständen kann man diese erwünschte Charakteristik auch dadurch erhalten, daß man die Wirkung der Spannungswicklung einfach zeitweise mindert, beispielsweise durch Einschalten eines ziemlich großen Widerstandes in Reihe uo mit der Spannungswicklung. Wenn die Magnetisierungskurve der Erregermaschine sich an einer richtig gewählten Stelle krümmt, bleibt von diesem Punkt an die Summe a V -)- b I nicht mehr konstant, und die Spannung V des Stromerzeugers wird nur noch wenig zunehmen, wenn der erzeugte Strom / abnimmt. Damit ist also die in Abb. 5 dargestellte Charakteristik ABDF verwirklicht.

Gemäß der Erfindung ist es möglich, die Charakteristik zwischen B und D nach oben konkav zu gestalten und sie einer gleiehsei-

tigen Hyperbel anzupassen. Wenn die Widerstandsgerade der Nebenschlußerregung der Erregermaschine stärker geneigt ist als deren Charakteristik (Abb. 6), erfordert die Gleichheit der Amperewindungen, daß

a V + bl = NM_ = OA + SM.

Wenn q und p die Koeffizienten der Geraden OM und OS sind, ergibt sich

aV + b I = K*, + {p — q) · u.

Wenn der Hauptgenerator nicht gesättigt ist, ist sein Erregerstrom und die Spannung u der Erregermaschine proportional mit der >5 Spannung V, und die obige Gleichung geht über in die Gleichung

die der Ausdruck einer Geraden ist. Wenn aber die Magnetisierungskurve des Stromerzeugers gekrümmt ist, nimmt der Ausdruck Ip'-—■ q) · u schneller zu als die Spannung V, und die Spannungs-Strom-Charakteristik krümmt sich nach oben. Damit sie sich praktisch einer idealen, gleichseitigen Hyperbel anpaßt, müssen die Neigungen des geraden Teils der Charakteristik der Erregermaschine, die Widerstandscharakteristik der Fremderregung, der Nebenschlußerregerwicklung und der Spannungswicklung geeignet gewählt werden.

Der Betrieb mit konstantem Strom AB und mit praktisch konstanter Spannung DF ergibt sich wie bei der ersten Anordnung.

Ferner ist es gemäß der Erfindung möglich, die Fremderregerwicklung und die Nebenschlußerregerwicklung der Erregermaschine zu einer einzigen Wicklung zu vereinigen, die Steuerwicklung genannt wird.

Zu diesem Zweck wird die Erregermaschine in Reihe mit der die Fremderregerwicklung speisenden Quelle geschaltet, und die Steuerwicklung wird so durch die Summe der Spannungen der Erregermaschine und der fremden Quelle gespeist. Abb. 7 zeigt eine derartige Anordnung. Hierbei ist die Erregermaschine E mit der Hilfsmaschine d verbunden, die als praktisch konstante Fremdstromquelle dient, während die Steuerwicklung c an die Punktet und B angeschlossen und von der Summe der Spannungen der Maschinen d und E gespeist ist. Diese besitzt immer die von dem durch den Stromerzeuger H gelieferten Strom durchflossen Stromwicklung α und die Spannungswicklung v, die an die Klemmen dieses Stromerzeugers angeschlossen ist.

Wenn die beiden Spannungen richtig gewählt sind, erhält man so eine gerade Charakteristik AN (Abb. 6), die identisch ist mit derjenigen, die bei den vorhergehenden Ausführungsformen die Summe der Amperewindungen der Nebenschlußerregerwicklung und der Fremderregerwicklung darstellt.

Oft ist es erwünscht, daß die Übertragung die Eigenheit besitzt, die von der Wärmekraftmaschine verlangte Leistung stark herabzusetzen, wenn die Drehzahl der Wärmekraftmaschine sich etwas vermindert, wobei die Einstellung der elektrischen Stromkreise ungeändert bleiben soll. Gemäß der Erfindung kann man der beschriebenen Anordnung diese Eigenschaft verleihen, indem man als fremde Erregerstromquelle einen kleinen Nebenschlußgenerator verwendet, der schwach gesättigt ist und mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit angetrieben wird, die gleich oder proportional derjenigen der aus dem Hauptgenerator und der Wärmekraftmaschine bestehenden Gruppe ist. Da die Spannung dieses kleinen Generators sich mehr als proportional mit der Drehzahl vermindert, nähert sich die Gerade AN nach Abb. 6 der Ordinatenachse, während die Magnetisierungskurve der ebenfalls von der Wärmekraft- maschine angetriebenen Erregermaschine sich nach der Abszissenachse neigt. Die Summe der Amperewindungen der Spannungs- und der Stromwicklung wird demnach stark vermindert, so daß die Generatorleistung stark go herabgesetzt wird. Der kleine Nebenschlußgenerator muß nicht notwendigerweise eine zusätzliche Maschine sein. Man kann den Stromerzeuger benutzen, der zum Laden der Akkumulatorenbatterie bestimmt ist, die im allgemeinen für die Beleuchtung, den Anlauf der Generatorantriebsmaschine usw. unentbehrlich ist.

Gemäß der Erfindung ist es auch möglich, die Charakteristik der Anordnung von der Temperatur der verschiedenen Maschinenwicklungen selbsttätig tmabhängig zu machen, indem man nur bei den Erregerwicklungen der Erregermaschine die bekannten Maßnahmen anwendet, die die sie durchfließenden Ströme von der Temperatur unabhängig machen. Die Erregermaschine der beschriebenen Anordnung besitzt tatsächlich die Eigenschaft, daß sie die Summe a V + b I konstant hält, wie groß auch der Widerstand der Erregerwicklungen des Stromerzeugers ist, mit der einzigen Einschränkung, daß die Sättigung der Erregermaschine nicht erreicht ist. Die Erregerwicklungen der Erregermaschine können von der Temperatur unabhängig gemacht werden, indem man beispielsweise in der folgenden an sich bekannten Weise verfährt, deren Anwendung bei der Steuerwicklung c beschrieben wird. Danach wird diese Wicklung (Abb. 8) durch einen Widerstand R_s überbrückt, der vorzugsweise aus einem Metall mit großem Temperatur-

koeffizienten besteht, wobei in Reihe mit der Anordnung ein Widerstand R aus einem Metall gelegt wird, dessen Temperaturkoeffizient praktisch Null ist. Der Parallelwiderstand R_s ist so ausgebildet, daß er im Betriebe sich stark erwärmt und sein Ohmscher Widerstand sich daher stark erhöht, während die Wicklung C sich nur viel weniger erwärmt und ihr Widerstand R_c sich verhältnismäßig wenig erhöht.

Wie leicht ersichtlich, wird die Beziehung der zwischen A und B auftretenden Spannung zu dem in der Wicklung C fließenden Strom durch die Gleichung

¹ R_s

wiedergegeben. Somit ist leicht zu ermitteln, welche Widerstandserhöhung des Parallel-Widerstandes R_s vorgesehen werden muß, damit die durch die Erwärmung der Wicklung C hervorgerufene Erhöhung von R_c ausgeglichen wird.

Oft ist es erwünscht, daß die Drehzahl der Antriebsmaschine des Stromerzeugers bei kleinen Belastungen herabgesetzt wird. Man kann eine solche neue Charakteristik ebenfalls durch eine geeignete Regelung der Erregerwicklungen der Erregermaschine erreichen.

Wenn man bei kleinen Geschwindigkeiten nur eine weniger genaue Annäherung haben will, kann man sich darauf beschränken, mit der Steuerwicklung c (Abb. 7) einen mehr oder weniger großen Widerstand einzuschalten.

Die so erreichbaren Kurven nähern sich noch gleichseitigen Hyperbeln.

Wenn man bei den verschiedenen Drehzahlen der Kraftmaschine bei Betrieb mit aufgehobener oder stark verminderter Wir-.

kung der Spannungswicklung im Moment des Anlaufs des Fahrzeuges denselben Strom in der Steuervvicklung zuläßt bei Konstanthaltung der Spannung der fremden Stromquelle, so wird der'Generator den Fahrzeugmotoren einen Strom „liefern, der unabhängig von der Drehzahl der Kraftmaschine ist. Um das Fahrzeug schnell zum Anlauf zu bringen, ist es demnach nicht notwendig, während der ersten Augenblicke die Drehzahl der Kraftmaschine stark zu erhöhen. Diese Betätigung kann ganz allmählich vor sich gehen, was für die Kraftmaschine vorteilhaft ist.

Bei plötzlichen Änderungen, die im Strom des Steuerkreises oder in dem von dem Generator gelieferten Strome veranlaßt werden, können bei der beschriebenen Anordnung Schwingungen auftreten. Um diese zu vermeiden oder um ihr Ausmaß zu vermindern, kann man gemäß der Erfindung in die Erregerkreise der Erregermaschine Widerstände oder Reaktanzen schalten, die in Reihe oder parallel mit den Erregerwicklungen der Erregermaschine gelegt werden. Man kann auch parallel zu einer oder mehreren Erregerwicklungen der Erregermaschine einen oder mehrere Nebenwiderstände anordnen, die einen oder mehrere um die Pole der Erregermaschine geschlossene Kreise bilden und daher zu plötzliche Änderungen des Flusses dieser Maschine dämpfen. Zu demselben Zweck kann man auch in Reihe mit dem Steuerkreis eine Drosselspule legen, die die Ausbildung des Stromes in diesem Kreis verzögert und dadurch die Ausbildung des Flusses der Erregermaschine verlangsamt.

In der vorhergehenden Beschreibung ist beispielsweise angenommen worden, daß der von einer Wärmekraftmaschine angetriebene Stromerzeuger die Triebmotoren eines Zuges oder eines Triebwagens speist. Die Anordnung nach der Erfindung ist jedoch auch für beliebige andere Verbraucher anwendbar, sofern diese für ihre Arbeitsweise verschiedene Strom- und Spannungsverhältnisse erfordern oder zulassen. ⁸S

Claims (9)

1. Patentansprüche:

   i. Anordnung mit einem Gleichstromerzeuger, der durch eine Erregermaschine erregt und durch einen Motor mit annähernd konstanter Drehzahl angetrieben wird und der Verbrauchsapparate speist, deren Betrieb veränderliche Spannungsund Stronrverhältnisse erfordert oder zuläßt, wobei dem Stromerzeuger eine in weiten Grenzen wesentlich gerade, äußere Strom-Spannungs-Charakteristik verliehen werden soll, insbesondere für brennkraftelektrische Fahrzeugantriebe, dadurch gekennzeichnet, daß die in den normalen Gebrauchsgrenzen schwach gesättigte Erregermaschine auf ihren Polen vier Wicklungen besitzt, nämlich:

   a) eine Nebenschlußerregerwicklung (s), deren Widerstandsgerade mit dem geraden Teil der Magnetisierungskurve der Erregermaschine zusammenfällt,

   b) eine Fremderregerwicklung (c), die durch eine fremde Quelle erregt wird, nc

   c) eine den beiden ersten entgegenwirkende Erregerwicklung (α), die von dem durch den Stromerzeuger gelieferten Strom durchflossen ist (Stromwicklung),

   d) eine den beiden ersten entgegen wirkende Erregerwicklung (v), die von der Spannung des Stromerzeugers gespeist wird (Spannungswicklung).__
2. 2. Abänderung der Anordnung nach Anspruch 1, bei der die äußere Strom-Spannungs-Charakteristik des Stromerzeugers in weiten Grenzen die Form einer

   nach oben konkaven, einer gleichseitigen Hyperbel ähnlichen Kurve erhalten soll, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kreis des Stromerzeugers ,so bemessen ist, daß seine Magnetisierungskurve in den normalen Betriebsgrenzen durch Sättigung gekrümmt ist, und daß dieser Stromerzeuger durch eine Erregermaschine erregt ist, die in normalen Betriebsgrenzen wenig gesättigt ist und außer den unter b) bis d) genannten Wicklungen eine Nebenschlußerregerwicklung besitzt, deren Widerstandscharakteristik mit der yifi^-Achse einen geeignet gewählten Winkel .bildet, der kleiner ist als der Winkel zwischen dieser Achse und dem geraden Teil der Magnetisierungskurve der Erregermaschine.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kreis der Erregermaschine derart ausgebildet ist, daß seine Magnetisierungskurve in normalen Betriebsgrenzen geradlinig verläuft und sich durch Sättigung bei einer Spannung krümmt, die dem Höchststrom entspricht, den die Erregerwicklung des Hauptgenerators aushalten kann.
4. 4. Abänderung der Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenschlußerregerwicklung (s) und die Fremderregerwicklung (c) der Erregermaschine zu einer einzigen Steuerwicklung vereinigt sind, die von der Summe der Spannungen der Erregermaschine und der mit ihr in Reihe liegenden unabhängigen Quelle erregt wird.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Charakteristik des Stromerzeugers zeitweise in eine Charakteristik für konstanten Strom umgeformt wird, indem die Wirkung der von der Spannung des Stromerzeugers gespeisten Erregerwicklung (v) zeitweise aufgehoben oder abgeschwächt wird, z.B.' durch Öffnung des Stromkreises dieser Wicklung, durch Einschaltung eines Widerstandes oder ähnliche Mittel.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betrieb mit aufgehobener oder stark verminderter Wirkung der spannungsabhängigen Wicklung (v) bei verschiedenen Geschwindigkeiten des Antriebsmotors des Stromerzeugers die Spannung der zur Speisung der S teuer wicklung (c) dienenden fremden Stromquelle konstant gehalten wird, um den von dem Stromerzeuger geliefer-. ten Strom trotz der Geschwindigkeitsänderungen der Wärmekraftmaschine kon- stant zu halten.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 1 bis 6 zum Erzielen eines starken Abfalles der von dem Stromerzeuger gelieferten Leistung bei verhältnismäßig schwacher 6g Drehzahlverminderung des Antriebsmotors des Stromerzeugers, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromquelle für die Speisung der Fremderregerwicklung (c) oder zur Mitspeisung der Steuerwicklung ein schwach gesättigter Hilfsstromerzeuger mit Nebenschlußerregung dient, der mit einer Drehzahl, die derjenigen des Hauptstromerzeugers gleich oder proportional ist, angetrieben wird.
8. 8. Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Charakteristik des Stromerzeugers von der Temperatur der Wicklungen unabhängig gemacht ist, indem nur bei den Erregerwicklungen der Erregermaschine die bekannten Maßnahmen angewendet sind, die die sie durchfließenden Ströme von der Temperatur unabhängig machen.
9. 9. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Schwingungen, die bei plötzlichen Änderungen des Steuerstromes oder des Generatorstromes entstehen können, Widerstände oder Reaktanzen in Serie oder parallel zu den Erregerwicklungen der Erregermaschine geschaltet sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen