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Regelverfahren für elektrische Weichstromantriebsmaschinen, insbesondere
für elektrische Triebfahrzeuge Die Erfindung ist anwendbar bei elektrischen Gleichstromantriebsmaschinen,
deren Feldamperewindungen nicht oder nur zum Teil vom Ankerstrom erzeugt werden.
über die Art und die Spannungs-Strom-Kennlinie der Energiequelle bestehen dabei
keine Voraussetzungen. Alle so erregten Antriebsmaschinen zeigen bei überschreitung
bestimmter, in der Hauptsache durch ihre Ankerspannung und ihre Feldamperewindungen
gegebener Drehzahlen generatorisches Verhalten und werden daher auch meistens da
verwendet, wb eine Umkehr des Energieflusses hetriebsmäßig auftreten kann und diese
so-. Nutzbremsung erwünscht ist beispielsweise in elektrischen Bahnbetrieben.
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Um dieDrehzahl solcherAntriebsmaschinen zu regeln, kann man die dem
Anker zugeführte Spannung oder die Feldamperewindungen, verändern. Bei Nebenschluß-
oder Verbundmotoren, die an ein Nehz gleichbleibender Spannung angeschlossen sind,
ist eine verlustlose Spannungsregelung nicht möglich; man beschränkt sich auf die
Regelung der Feldamperewindungen. Bei der gewöhnlichen Ward-Leonard-Schaltung bleiben
die Feldamperewindungen der Antriebsmaschine unverändert, und man beschränkt sich
auf die S.Pannungsregelung des Generators. Diese beiden Grenzfälle umschließen den
allgemein,en Fall der Regelung von Ankerspannung und Feldamperewindungen der Antri#ebsmaschine
gleichzeitig oder in beliebiger Aufeinanderf olge.
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Angenommen, der Maschinist sei völlig frei in der Bedienung der Regelschalter
für die Ankerspannung und die Feldamperi3windungen der Antriebsmaschine. Die Regelungder
Antriebsmaschine vollzieht sich im allgemeinen derart> daß eine gewünschte Drehzahl
eingestellt wird, wobei das Drehmoment gegeben ist. Das Drehmoment ist verhältnisgleich
dem Ankerstrom und dem. von den Feldamperewindungen erzeugten Kraftfluß und kann
daher bei beliebig eingestellten Peldamperewindungen erreicht werden. Die gewünschte
Drehzahl wird dann bei gegebenen Feldamperewindungen mittels Regelung der Ankerspannung
erreicht.
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Ein bestimmtes Drehmoment kann also-mit ganz verschiedenen, nur durch
die Grenzwerte der einstellbaren Feldamperewindungen beschränkt-en Verhältnissen
von Ankerstrorn zu Feldstrom erreicht werden, wobei hier und im folgenden unter
Feldstrom immer die Feldamperewindungszahl je Ankerwindung verstanden
sei.
Dieses Verhältnis ist bei Reihenschlußmotoren bei gleichbleibendem Feldschwächungs-rad
unveränderlich und ändert sich innerhalb der Typenreilie nurwenig. Eine VergrUßerung
dieses Verhältnisses nähert den Arbeitsbereich des 'Motors der Konimutations-##renze,
t-ine Verkleinerun- entfernt ihn von ihr. Da sich der Arbeitsbereich des Reihenschlußmotors
auch mit kleiner werdendem Ank,-rstrorn von der Konimutationsgrenze entfernt, ist
bei kleinen Ankerströmen ein grö-13eres Verhältnis von Ankerstroni zu Feldstrom
zulässig. Man macht von der Möglichkeit, d2ii'\,lotor in diesem Falle mit einem
größeren Verhältnis zu betreiben -. bei der sog. Feldschwächung Gebrauch.
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Das bei den Reihenschlußmotoren als zulässig erachtete Verhältnis
kann nun bei der obenbeschriebeil,en Re,#elun-sart beträchtlich überschritten werden,
sei es. daß der Maschinisst bci einer Drehmomentzunahme die Feldamperewindungszahl
nicht im erforderlichen Maße heraufregelt, sei es, daß er durch zu schnelles Schalten
der Regelschalter einen übermäßigen Ankerstromanstieg herbeiführt. Dann kann der
Arbeitsbereich der Antriebsmaschine in die Nähe der Kommutationsgrenze oder über
diese hinaus fallen. Ein be-
triebssicheres Verhalten der Antriebsmaschine
ist daher nicht mehr gewährleistet.
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Solange diese Regelungsart bei Anlagen mit bekannten gleichbleibenden
oder sich wenigstens nicht plötzlich ändernden Belastungen der Antriebsmaschine
angewendet wurde, ließ sich ein Überschreiten der Kommutations-"renze bei eini-er
Aufmerksamkeit ohne besondere Hilfsmittel vermeiden. Bei Anlagen mit plötzlich und
ständig wechselnden Bet# lastungsverhältnissen, z. B. bei elektrischen Triebfahrzeugen,
kommt man ohne solche Hilfsmittel nicht aus. Der einfachste Weg, der Einbau
eines Reihenschlußmotors, ist in Sonderfällen, z. B. bei Fahrzeugen, die für Verschiebedienst
init hohen Zugkräften bei nic(1-ri-en Geschwindigkeiten und für Streckendienst mit
hoher Geschwindigkeit zugleich, womöglich noch mit Nutzbremsun- verwendet I ZD werden
sollen, nicht gangbar. Dazu kommt, daß für solche Fahrzeuge oft ungeschultes. Personal
eingesetzt wird -, von dem nicht erwartet werden kann, daß es die Belastungsgrenzen
der Antriebsmaschine in den verschiedenen. Betriebszuständen kennt und die Re-cluii--
der 'Maschine danach ausführt. Z, I' Höchststromrelais und Spannungsrelais
kön-ZD nun das Überschreiten der Kommutationsgrenze in einem großen Bereich mittlerer
Geschwindigkeit nicht verhindern und habenweitur den -Nachteil, daß sie beim Ansprechen
die Ausrüstung abschalten, während eineEinrichtting erwünscht ist, die das Cherschreiten
der Kommutationsgrenze nur verhindert, nicht aber die Ausrüstung abschaltet.
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Bisher bekanntgewordene Verfahren zur selbsttätigen Regelung des Verhältnisses
von Ankerstrom zu Feldstrom beschränken sich auf einen bestimmten Betriebszustand,
meist auf den Nutzbremsbetrieb. Beisyielsweise wird in vielen Nutzbremsschaltungen
beim Anwachsen des Rückstromes das Feld des rückarbeitenden. Motors,-selbsttätig
geschwächt. Dadurch wird aber gerade das Verhältnis von Anker- zu Feldstrom vergrößert
und der B-etriebsbereich der Kommutierun#gsgrenze näher gerückt. Weiter benutzen
diese Regelverfahren, soweit sie sich nicht komplizierterer Anordnungen bedienen,
durchwegs die Summe oder Difierenz der von Ankerstrom und Feld-
strom erzeugten,
auf magnetische Kreise von Maschinen oder Schaltapparaten wirkenden Amper,ewindungen;
sie sind also von der je-
weiligen Stromrichtung abhängig.
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Im Zusammenhang mit einer Nutzbremsschaltung ist ferner eine Regeleinrichtung
bekanntgeworden, bestehend aus zwei auf der gleichen Welle hefindlichen, vom Anker-
bzw. Feldstrom durchflossenen Reihenschlußmaschinen, deren Drehmomente einander
entgegenwirken. Diese Einrichtung wirkt regelnd auf einen Stabilisierwiderstand
im Hauptstromkreis, arbeitet wohl unabhängig von der Stromrichtung, bietet aber
bei den meist insbesondere bei verbrennungselektrischen Triebfahrzeug#n auftretenden
Stromstärken baulich#e Schwierigkeiten. Anschluß der Maschitten an Nebenschlüsse
führt dagegen zu Energieverlusten.
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Die Erfindung vermeidet diese Maschinen und verwendet zur Begrenzung
des Verhältnisses von Anker- zu Feldamperewindungen eine die Regelschaltung für
die Ankerspannung und für die Feldamperewindungen beeinflussende Stromwaage, an
deren Hebelwerk vom Ankerstrom und vom Feldstrom in Solenoiden erzeugte, einander
entgegenwirkende Kräfte angreifen. Diese Solenoidekönnen für beliebige Stromstärken
gebaut werden.
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Zu der Beeinflussung werden am besten die vom Maschinisten bedienten
Regelschalter herangezogen. Sie müssen zu diesem Zweck mit einem Fremdantrieb versehen
sein, ihr Antrieb durch den Maschinisten kann ununmittelbar oder mittelbar erfolgen.
Im letzten Fall wird für die Regelung durch den Maschinisten und für die Regelung
gemäß Erfindung mit Vorteil derselbe Steuerrnotor verwendet.
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Der Steuermotor wird von einer Stromwaage beeinflußt, deren Arbeiten
vom Verhältnis zwischen Ankerstrom und Feldstrom abhängig ist. Solange das Verhältnis
zwischen Ankerstrom und Feldstrom einen
bestimmten Wert nicht überschreitet,
ist die Stellung der Regelschalter nur vom Willen des Maschinisten abhängig Das
Ant> t" sprechen der Stromwaage beim überschreiten dieses Wertes bewirkt ein völlig
selbsttätiges Verstellen der Regelschalter unter Innthaltun ' - bestimmter
Verhältnisse von Ankerstrom zu Feldstrom. Diese Verstellung soll immer so erfolgen,
daß durch sie eine Verminderung des Absolutwertes des Verhältnisses von Ankerstrom
zu Feldstrom herbeigeführt wird. Bei Betrieben, die einen Richtungs,%vechsel des
Stromes der Energiequelle zulassen, beispielsweise bei übergang zur Nutzbremsung
oder bei der gewöhnlichen Ward-Leonard-Schaltung beim Wechsel der Drehrichtung der
Ahtriebsmaschine, muß daher mit dem Stromrichtun-swechsel. ein Drehrichtungs#vechsel
der Regelschalter einhergehen, der durch die Stromwaage selbst oder, wie nachstehend
gezeigt wird, mittels eines besonderen Strom-##,ächters herbeigeführt werden kann.
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An Hand der Fig. i wird im folgenden die Anwendung der Erfindung auf
eine als Beispiel gedachte Schaltanordnung näher erläutert. Darin bedeutet i die
Antriebsrnaschine, deren Anker io und vom Ankerstrom durchflossene Feldwindungen
i i von den Klemmen 50 gespeist werden. Die nicht vom Ankerstrom durchflossenen
Feldwind:ungen 12 werden von den Klemmen 5 1 gespeist, und ihr Erregerstrom
werde im Schalter 22 des HauptfahrschalterS 2 geregelt. Im Schalter 2 2 sei auch
der Regelschalter für die Spannungs, regelung des Ankers (Klemmen5o) enthalten.
Die Regelung der Ankerspannung uncl der Feldamperewindungen, unter denen hier nur
die nicht vom Ankerstrom durchflossenen verstanden seien, wird im allgemeinen so
erfolg-en, daß mit zunehmen-der Abweichung des Regelschalters von der Nullstellung
die Drehzahl der Antriebsmaschine erhöht wird, also die Ankerspannung erhöht oder
die Feldamperewin,dungszahl erniedrigt wird, wobei diese beiden Regelungsarten gleichzeitig
oder in passender Aufeinanderfolge ausgeführt werden können. Das vom Maschinisten
bediente Handrad 21 sei fest mit dem Belag 234
verbunden. Die Kontaktfinger-23
b sind starr mit der Welle des SteuermotorS 24 des Regelschalters verbunden.
Der Steuermotor wird von den Klemmen 52 gespeist. Seine Drehrichtung sei
positiv, wenn die mit + bezeichn,ete, sie sei negativ, wenn die mit
- bezeichnete Feldwicklung gespeist wird. 3 bedeutet die Stromwaage,
deren Arb#eits%",.eis-e vom Verhältnis von Ankerstrom zu Feldstrom abhängt. Sie
besitzt eine vom Ankerstrom durchflossene Magnetwicklung 3 1 und eine vorn
Feldstrom der Feldwicklung 12 durchflossene Magnetwicklung 32. 33a und 33P
sind Federn, die die Kontaktvorrichtung 34 bei stromlosen Magnetwicklungen
3 1 und 3 2 in einer bestimmten Lage halten, in der je nach
Wahl und Spannung der Federn die Kontakte 34 a oder 34b geschlossen oder beide offen
sind. Fließt ein Strom in der Magnetwicklung31, so werden nach überwindung der Federkraft
die Kontakte 34 b geschlossen; in gleicher Weise bewirktein die Magnetwicklung32
durchfließender Strom die Schließung der Kontakte34.a. Bei einem durch die Bauart
der Magnete bedingten Verhältnis von Ard,-erstrorn zu Feld-
strom heben sich
die von ihnen auf die Kontaktvorrichtung 34 ausgeübten Kräfte auf, und diese gehorcht
nur den Federn 33. Ein überwiegen des Ankerstromes führt die Schließung
der Kontakte 3,4", ein überwiegen des Feldstrom,es die Schließung der Kontakte 34a
herbei. 4 bedeutet einen Stromwächter, dessen Arbeit-en von der Richtung des Ankerstromes
abhängig ist. Bei der einen Ankerstromrichtung ist Kontakt 4a, bei der andern Kontakt
4 b
geschlossen, und der Steuermotor läuft dann in der negativen bzw.
positiven Drehrichtung, sofern er über den Stromwächter 4 gespeist wird, wobei die
Anordnung so getroffen ist, daß durch die Verstellung z' des Regelschalters 22 jeweils
eine Abnahme des Verhältnisses; von Ankerstrom zu Feldstrom der Antriebsmaschin,e
'herbeigeführt wird. Die die gezeichnete Stellung des Stromwächters4 herbeiführende
Ankerstromrichtung sei als positiv bezeichnet.
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Der Maschinist wolle die Antriebsmaschine aus dem Stillstand im positiven
Drehsinn anlaufen lassen. Er verschiebt mit dem Hand-#ad 21 den Belag 23a gegenüber
den Kontaktfingern 23 b, und zwar so, daß der mit + bezeichnete Belag
aufläuft. Sobald das Handra:d seine Nullstellung verläßt, werden die Klernmen So
und 5 1 der Antriebsmaschine mit. ihren Speiseklemmen verbunden. Der in den
Feldwindungen i -- und der Magnetwicklung 3 2 fließende Feldstrom
bewirkt das Schließender Kontakte 34a der Stromwaage '3. Der entstehende
Ankerstrom ist positiv. Es wird die mit _+ bezeichnete Feldwicklung des Steuermotors
24 über die Leitung i oi, Kontakt 34a, Leitung 103 gespeist, und der Steuermotor
dreht sich in positivem Sinne so lange, bis der aufgelaufene Kontaktfinger
23 b wieder abläuft, d. h. bis die vom Maschinisten gewünschte Stellung
der Regelschalter erreicht ist. Dies ist aber nurder Fall, d.h. der Maschinist hat
nur so lange die volle Verfügung über beide Drehrichtungen des Steuermotors, als
das für das Umschalten der Steuerwa2,ge 3
erforderliche Verhältnis von Ankerstrom
und Feldstrom nicht erreicht ist. Beim Erreichen dieses Verhältnisses werden die
Kontakte 34a der Stromwaage 3 geöffnet und die Kontakte
34
b geschlossen. Der Steuermotor wird nun über Leitung ioo, Kontakt 34b, Kontakt
4a, Leitung iot gespeist; seine Drehrichtung ist durch die Stellung des Stromwächters
festgelegt. Im vorliegenden Falle ist sie ne-ativ. Das Verhältnis von Ankerstrom
zu Feldstrom wird vermindert. Diese Drehrichtung des Steuermotors kann vom Maschinisten
auch bei offenen Kontakten,34 b der Stromivaage3 herbeigeführt werden, indem
er sein Handrad' zurückschaltet. Infolge Auflaufens des mit - bezeichneten
Belages 23a auf den entsprechenden Kontaktfinger 23b wird die mit
- bezeichnete Feldwicklung des Steuermotors über Leitung i o 2, Kontakt -1,1,
Leitung i o4 ge-
speist.
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Bei genügendem Zurückschalten des Handrades entsteht Nutzbremsung.
Der Ankerstrom ändert seine Richtung, der Stromwächter 4 öffnet den Kontakt 4a und
schließt den Kontakt 411. Das Verhältnis von Ankerstrom zu Feldstrom ändert sein
Vorzeichen, ist also inzwischen auf einen Wert gesunken, bei dem die Stromwaage
3 wieder die Kontakte -34a schließt, so daß der Ste-Liermotor wieder über
diese gespeist wird. Da die Stromwaag 3 111
der gezei-ten Ausführung
nur auf den Absolutivert des Verhältnisses anspricht, arbeitet sie bei ne 'gativem
Ankerstrorn gleich. Beim überschreiten des zulässigen Verhältnisses schaltet sie
wieder auf die Kontakte34b uIn. Nun wird die Drehrichtung des Steuermotors aber
positiv, da er jetzt über Kontakt411 des Stromwächters4 gespeist wird. Wiederum
ergibt sich eine Verminderung des Verhältnisses von Anl,:#erstrom zu Feldstrom und
wiederum ist dein Maschinisten die Möglichkeit ge-0-eben, diese Verminderung selbst
herbeizu-Zn b
führen, indem er den mit + bezeichneten Belag
23a auf den entsprechenden Kontaktfinger auflaufen läßt.
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Die Stromwaagc 3 kann so gebaut werden, daß das Verhältnis
von Ankerstrom zu Feldstroni, bei dein sie ihre Kontakte umschaltet, alleichbleibt
oder aber sich in Abhängigkeit C, z# von bestimmten Größen nach bestimmten
Re Igeln ändert. Es mag beispielsweise erwünscht sein, dieses Verhältnis mit kleiner
werdendeni Ankerstrom größer -,verden. zu lassen, eine RegelLiii-sa#t, wie sie bei
Reihenschluf')inotoren angewendet wird und auf die bereits liiii-Ic##"icsen wurde.
Dazu ist die Einführung bestimmter Zusatzkräfte zu den von deii.-#la-nütiv#iclzlungen3i
und32 aufdasKon-'s ZD taktsystem aus-geübten notwendig. Solche Zusatzkräfte * können
schon durch passende Wahl der Federn 33a und 33 b erzeugt werden. Eine andere
Möglichkeit, die in Fig. 2 dargestellt ist, besteht im Einbau weiterer Spulen
35, die auf bes"Oiidere Magnete oder aber auf den in,-l-pietischen Kreis
der Magnetwicklungell 31
bzw. 32 eiiivirken. Der Vorteil dieser Erzeugungsart
der Zusatzkräfte liegt darin, d#ß der die Spulen 35 durchfließende Strom
seinerseits wieder durch Vorschaltwid#erstände 3 5a mittels des Handrades
2 1 oder des Regelschalt#ers 22 oder anderer Mittel, von denen beispielsweise der
Anschluß der Spulen an die Ankerspannung genannt sei, geregelt werden kann. Eine
allenfalls notwendige Umschaltung der Spulen bei Richtungswechsel des Ankerstromes
kann durch den Stromu-ächter 4 ausgeführt werden.
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Eine weitere Möglichkeit, das Verhältnis von Ankerstrom- und Feldstrom
zu ändern, besteht in der Schwächung der Magnetwicklungen 3 1 bzw.
32 durch parallel geschaltete ohmsche oder induktive Widerstände, wie dies
in Fig. 2 angedeutet ist, sowie in der Zu- oder Abschaltung von Windungen dieser
Spulen.