DE77266C - Verfahren zur Regelung elektrischer Treibmaschinen mit gesondertem Anker- und Schenkelstromkreis - Google Patents

Description

KAISERLICHES

KLASSE 21: Elektrische Apparate

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Regelung von Elektromotoren, welche einerseits mit wechselnder Geschwindigkeit, jedoch bei gleichbleibender Zugkraft laufen, andererseits aber auch sowohl hinsichtlich der Zugkraft als auch der Umdrehungsgeschwindigkeit eine Aenderung zulassen sollen.

Der Hauptzweck der Erfindung besteht darin, einen Motor zu schaffen, welcher mit wechselnder Geschwindigkeit und mit wechselnder Zug-, kraft arbeiten kann, sowie auch zu ermöglichen, dafs die Umdrehungsgeschwindigkeit sich ändert, ohne dafs eine gleichzeitige wahrnehmbare Veränderung der Zugkraft stattfindet, und dafs scliliefslich die von dem Motor * zu leistende Arbeit trotz . der erforderlichen- Veränderung der Umdrehungsgeschwindigkeit und der Zugkraft gleichbleibt.

Bei der Benutzung von Elektromotoren für Eisenbahnzwecke ist es z. B. oft wünschens-■werth, den Anker eine stärkere Zug- oder Druckkraft beispielsweise dort ausüben zu lassen, wo das Gefährt mit einer schwereren Last laufen oder eine Neigung überwinden soll, und ebenso ist es unter Umständen wünschenswert, die Geschwindigkeit ohne gleichzeitige Aenderung der Zugkraft abändern zu können, so dafs das Gefährt in seinem Lauf verlangsamt werden kann, ohne die Drehwirkung des Motors hierbei zu mindern.

Durch die vorliegende Erfindung wird eine Aenderung der Umdrehungsgeschwindigkeit erreicht, ohne dafs die Stärke der Feldmagneten oder des die Ankerwicklung durchfliefsenden Stromes beeinflüfst wird, also ohne Aenderung der Zugkraft und auch ohne wesentliche Verschiebung der neutralen Punkte des Stromsammlers.

Zur Ausführung der vorliegenden Erfindung wird der Feldmagnet des Motors durch eine' gleichbleibende Stromquelle gespeist, welche getrennt von der den Anker speisenden Strom-: quelle aufgestellt ist und die' Geschwindig-, keit des Elektromotors" durch Veränderung der elektromotorischen Kraft der den Motoranker speisenden Stromquelle regelt. Wenn bei einem in dieser Weise betriebenen Motor die Last des Gefährtes vergröfsert wird, so besteht ein Bestreben, die Umdrehungsgeschwindigkeit des Ankers zu vermindern, und hieraus wiederum ergiebt sich eine Herabminderung der elektromotorischen Gegenkraft des Motors, welche einer gröfseren Stromstärke den Durchtritt durch die Ankerwickelung gestattet und so die Zug- und Druckkraft dieses Ankers in der Weise erhöht, dafs derselbe bei einer geringen Aenderung , seiner : Umdrehungsgeschwindigkeit die vermehrte Last überwinden kann. Wenn nun andererseits eine erhöhte Umdrehungsgeschwindigkeit des Elektromotors gewünscht wird, so wird die elektromotorische Kraft der den Anker speisen-r den Stromquelle erhöht, derart, dafs die Spannung' des diesen Anker speisenden Stromes' wächst und der Anker demnach sich schneller dreht, obgleich durch die aus diesen schnelleren Drehungen sich ergebende elektromotorische . Gegenkraft keine Erhöhung des den Anker

durchfliefsenden Stromes und demnach auch keine Erhöhung der Zugkraft stattfindet.

Bei der von einem Elektromotor ausgeübten und in Meter-Kilogramm-Sekunden ausgedrückten Arbeit stellt das Zeitelement die Geschwindigkeit des Motors und das Gewichts- ■ element die Zugkraft vor. Die Geschwindig-, keit ist abhängig von der Spannung im Stromkreis und die Zug- oder Druckkraft von der Stromstärke, und der vorliegenden Erfindung gema'fs wird nur die letztere zur Veränderung der Zugkraft oder aber nur die Spannung zur Veränderung der Umdrehungsgeschwindigkeit geregelt. ,

Die Erfindung ermöglicht es, sowohl die .Umdrehungsgeschwindigkeit als auch die Zugkraft in irgend einem beliebigen gegenseitigen Verhä'ltnifs ganz nach Wunsch zu ändern, und zwar ohne Veränderung der von der Stromquelle entnommenen Kraft. Dies wird dadurch erreicht, dafs man den Anker des Betriebsmotors mit einer Zwischen-Erzeugermaschine verbindet, deren Potential verändert werden kann und welche durch einen von der Hauptstromquelle gespeisten Elektromotor angetrieben wird. Der Strom für die Bildung des Feldes; des Betriebsmotors, sowie der Felder des Zwischenmotors und der Zwischen-Erzeugermaschine wird am zweckmäfsigsten der Hauptstromquelle entnommen. Wenn alsdann bei der vom Motor zu leistenden Arbeit die Zugkraft sich ändert, so wird die Geschwindigkeit ' im umgekehrten Verhältnifs zu dieser Aenderung in der Zug- oder Druckkraft dadurch geändert, dafs man in der Spannung des dem Motoranker zugeführten Stromes eine Aenderung eintreten lä'fst, welche der aus dieser veränderten Zugkraft sich ergebenden Veränderung des den Anker durchfliefsenden Stromes umgekehrt proportional ist, derart, dafs die gesammte dem Motor zugeführte und aus dem Product der Geschwindigkeit und der Zugkraft bestimmte Kraftleistung gleichbleibt. ■

Um daher diese Gröfsen für den Betriebsmotor je nach Erfordernifs ändern zu können, werden sie nur in demjenigen Stromkreis geändert, welcher zwischen der Zwischen-Erzeugermaschine und dem Betriebsmotor liegt, und es wird praktisch von der Hauptstromquelle stets nur ein und dieselbe Energiemenge entnommen.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung umfafst die Anwendung von Wechselströmen, um durch dieselben unter Einschaltung von Wechselstrommotoren und durch die von letzteren angetriebene Gleichstromzwischenmaschine Gleichstrommotoren zu betreiben. Da die Geschwindigkeit eines derartigen Wechselstrommotors nicht geändert werden kann, so kann, irgend eine geeignete Form von Wechselstrommaschinen für diesen Zweck benutzt werden.

In der beiliegenden Zeichnung ist der Gegenstand der vorliegenden Erfindung dargestellt, und zwar zeigt die Fig. ι eine schematische Ansicht einer Anordnung für feststehende Motoren. Die Fig. 2 ist ein Schema der Anordnung eines feststehenden Motors, welche durch eine elektrische Zwischen-Erzeugermaschine betrieben wird. Fig. 3 giebt ein Schema derselben Anordnung in ihrer Anwendung auf einen elektrischen Eisenbahnwagen wieder, und die Fig. 4 läfst das Schema für die Anwendung von Wechselströmen in Verbindung mit einem feststehenden Motor erkennen. Die Fig. 5 ist ein Schema einer Wechselstromanlage in Verbindung mit einer elektrischen Eisenbahn. Die Fig. 6 ist ein ebensolches einer Wechselstrom-

Zwischenmaschine einzigen,

anlage, bei welcher die

und der Zwischenmotor zu einer Maschine vereint sind.

In der Fig. 1 ist mit A eine geeignete Er- _; zeugermaschine bezeichnet, während 1 und 2 die Leitungen vorstellen, welche von · dem Anker dieser Maschine ausgehen und zu dem Anker des Motors B führen. Dieser kann als ein Betriebsmotor gedacht werden, .der mit^; wechselnder Umdrehungsgeschwindigkeit und wechselnder Zugkraft läuft und entweder eine gleichbleibende oder eine wechselnde Arbeitsleistung verrichten soll. C ist eine Erzeugermaschine mit gleichbleibender Klemmenspannung, in deren Stromkreis 3, 4 der Feldmagnet des Motors B eingeschaltet ist, wodurch das magnetische Feld desselben gleichbleibend erhalten wird. Eine in Nebenschlufs zu dem Stromkreis 3, 4 liegende Leitung 4, 5 schliefst die Erregerwickelung für die Feldmaghete der Maschine A in sich, obgleich diese erforderlichenfalls von einer anderen Erregermaschine oder von dem Stromkreis dieser Erzeugermaschine selbst aus erregt werden kann. In jedem Falle ist es vorteilhaft, den Stromkreis der Erregerwickelung der Erzeugermaschine A in die Nähe des Motors B oder desjenigen Punktes zu führen, wo die Arbeit verrichtet werden soll, und dort einen regelbaren Widerstand D oder sonstige Vorrichtungen zur Regelung des Potentials des Stromerzeugers A einzuschalten. Der Widerstand D wird dazu benutzt, um die Umdrehungsgeschwindigkeit des Betriebsmotors B durch Veränderung der elektromotorischen Kraft des Stromerzeugers A abzuändern und, da dies ohne Beeinflussung des Feldmagneten des Betriebsmotors B geschieht, so wird dies, wenn bei der zu leistenden Arbeit das Element der Zugkraft gleichbleibt, herbeigeführt, ohne dafs eine Aenderung in der Zugkraft des Motors stattfindet, so dafs derselbe mit gleicher Zugkraft, jedoch mit geänderter Geschwindigkeit läuft. Wenn sich das Element der Zugkraft der zu leistenden Arbeit ändert, so fliefst die

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zur Erzeugung der erforderlichen Zugkraft nöthige Strommenge selbslthatig zu und die Umdrehungsgeschwindigkeit bleibt praktisch dieselbe. Da der Anker des Motors B sich stets in einem starken und gleichbleibenden magnetischen Felde befindet, so wird der neutrale Punkt des Stromwenders selbst dann gleichbleibend erhalten, wenn die Arbeitsleistung sich ändert, vorausgesetzt, dafs die Zugkraft gleichbleibt, und selbst, wenn die Zugkraft sich ändert, ist die Winkelverschiebung des neutralen Punktes demnach eine sehr geringe und ein Verlust durch Funkenbildung an den Stromaumehmerbürsteii findet selbst beim Umkehren der Drehrichtung des Ankers nicht statt. Ferner ist ersichtlich, dafs der Wirkungsgrad der Einrichtung bei geringer wie bei voller Umdrehungsgeschwindigkeit derselbe ist.

Q bezeichnet die Ein- und Umschaltvorrichtung, durch welche der Betriebsmotor B angelassen, angehalten und umgeschaltet werden kann.

Bei der in der Fig. 2 dargestellten Anordnung ist der Anker des Betriebsmotors B in ein und denselben Stromkreis mit demjenigen des Stromerzeugers A eingeschaltet, dessen Anker sich mit demjenigen des Zwischenmotors E auf einer gemeinsamen Welle befindet oder- sonstwie durch Zahnradgetriebe oder dergleichen verbunden ist. Für diesen Zwischenmotor wird eine Nebenschlufswickelung gewühlt, und der Feldmagnet und der Anker werden beide von dem Hauptstromkreis 6, 7 gespeist, welcher von den Bürsten einer die Hauptstromquelle bildenden Erzeugermaschine F ausgeht. Der Feldmagnet des Betriebsmotors B und derjenige der Zwischen-Erzeugermaschine A werden durch je eine Nebenschlufsleitung von den_% Zuleitungen 6 und 7 aus gespeist und die Erregerwickelung der Zwischenmaschine mit einem eingeschalteten regelbaren Widerstand D vorsehen.

Der Feldmagnet des Betriebsmotors B wird wieder von einer besonderen Stromquelle aus gespeist, welche von der den Anker speisenden Stromquelle getrennt ist, und der Feldmagnet wird daher in gleichbleibender Stärke erhalten. Soll die Geschwindigkeit des Motors B verändert werden, ohne auch bei unverändertem Zuge der Last die Zugkraft desselben zu ändern, so wird der Widerstand D so geregelt, dafs die Stärke des Feldmagneten der Zwischen-, maschine wächst und die elektromotorische Kraft derselben erhöht wird, derart, dafs durch die Erhöhung der Spannung in der Leitung 8, 9 der Anker des Betriebsmotors B eine erhöhte Umdrehungsgeschwindigkeit erhält und demnach keine Aenderung in der Stärke des den Anker durchniefsenden Stromes eintritt, das Drehungsmoment des Motors also unverändert bleibt.

Wenn der Betrag der auf den Motor wir- j kenden Bremsbelastung erhöht wird, so wird durch das Bestreben, die Umdrehungsgeschwindigkeit herabzumindern, die Stromstärke in der Leitung 8,9 erhöht und die Zugkraft des Motors daher so weit vermehrt, dafs er unter einer erhöhten Zugkraft, aber praktisch mit derselben Geschwindigkeit wie vorhin läuft.

Die Fig. 3 veranschaulicht die in der Fig. 2 dargestellte Anordnung in ihrer besonderen Anwendung auf einen Eisenbahnwagen. Die Zeichnung läfst einen Theil des Wagens mit dem Betriebsmotor B erkennen, welcher mechanisch mit der Treibachse verbunden ist.

Die Zwischenmaschine A ist auf dem Wagen : angebracht und mit dem Anker des Betriebsmotors B verbunden, während der Anker des gleichfalls auf dem Wagen angebrachten Zwischenmotors E mit demjenigen der Zwischenmaschine A sich auf einer gemeinsamen Welle befindet. G stellt einen Stromschlufswagen vor, während das andere Stromschlufsstück durch die Wagenräder selbst in der in der Figur dargestellten Weise gebildet wird.

Die Feldmagnete sämmtlicher drei Maschinen sind parallel zu einander an die Zuleitungen angeschlossen und der Anker des Zwischen-· motors E Hegt gleichfalls im Nebenschlufs, während in die Erregerwickelung der Zwischenmaschine A ein Rheostat D eingeschaltet ist. Die Wirkungsweise ist dieselbe, wie dies: bereits mit Bezug auf die Fig. 2 ' beschrieben ist,· und es ist ersichtlich, dafs bei Anwendung dieser Anordnung « für ,· Strafs'enbahnwagen Steigungen oder Curven erforderlichenfalls ohne Abnahme eines stärkeren als für geraden und- mittleren Zug erforderlichen ; Stromes von den Leitungen überwunden werden können, da die Umdrehungsgeschwindigkeit des Betriebsmotors nach Belieben durch Regelung der Erzeugermaschine A verändert wird und die Zugkraft sich demnach selbstthätig nach Mafsgabe der durch die Last bedingten Bremsung ändert.

Durch einen Strommesser V ist der Betriebsbeamte in den Stand gesetzt, den von dem Motor E aus der Linienleitung entnommenen Strom zu beobachten.

Für die Uebertragung des Stromes auf gröfsere Entfernungen ist die Anwendung von Wechselströmen wünschenswerth. Um auf der anderen Seite den Motor in den Stand zu setzen, bei hohem Wirkungsgrad mit veränderlicher Umdrehungsgeschwindigkeit und veränderlicher Zugkraft laufen zu können, ist es nothwendig, Gleichströme anzuwenden. Dieser Zweck wird durch eine Anordnung erreicht, welche in der Fig. 4 "dargestellt ist. L ist eine auf dem Elektricitätswerk aufgestellte Wechselstrommaschine und M ein eben daselbst aufgestellter Stromwandler für niedrige und hohe Spannung, durch welchen ein Strom von sehr

hoher Spannung erhalten und an die Linienleitung 10,11 abgetreten wird, welche auf eine beträchtliche Entfernung von dem Stromerzeuger L fortgeführt ist.

An irgend einem beliebigen Punkt, an welchem Arbeit verrichtet werden.soll, wird ein Stromwandler N aufgestellt, um die Spannung des Stromes auf den erforderlichen Grad herabzumindern, und zwar wird dieser secundäre Stromwandler mit dem Ankerstromkreis eines. Wechselstrommotors O verbunden, für welchen, da seine Geschwindigkeit sich niemals ändert, irgend eine beliebige Art von Wechselstrommaschine gewählt werden kann, welche synchron mit dem Stromerzeuger L läuft. Dieser Wechselstrommotor ...Ό wird dazu benutzt, um die Gleichstrommaschine A in Drehung zu versetzen, deren Anker in demselben Stromkreis mit dem Anker des Betriebsmotors eingeschaltet ist. P ist eine Gleichstromerregermaschine, welche zur Erregung der Feldmagnete der Haupt-Erzeugermaschine L, sowie auch derjenigen des Wechselstrommotors O, der Gleichstrommaschine A und des Betriebsmotors B benutzt wird, wobei sämmtliche Erregerstromkreise sowohl, wie derjenige für die Erregermaschine selbst parallel zu einander liegen. Diejenige Nebenschlufsleitung, in welcher die Erregerwickelung für die Gleichstrommaschine A liegt, ist mit einem regelbaren Widerstand D versehen. Die Veränderungen in der von dem Betriebsmotor B zu leistenden Arbeit können in -der Weise allmälig vorgenommen werden dafs die synchrone Drehung des Wechselstrommotors nicht verändert wird.

Die Fig. 5 veranschaulicht eine Wechselstromanlage in ihrer besonderen Anwendung auf einen Eisenbahnwagen, wobei ein Theil des Gefährtes in der Oberansicht und auf den Schienen Q Q laufend dargestellt ist. Die Linienleitung 10,11 geht von dem Stromwandler M aus, der zur Erhöhung der Spannung dient und der von der Wechselstrommaschine L gespeist wird. Die Stromwandler NN liegen in Nebenschlufs zu der Linienleitung io, 11, während die Secundärumwandler, welche einen Strom von niederer Spannung führen, mit den Arbeitsleitungen R R der Strecke verbunden sind. Für diese Leitungen können die Laufschienen selbst oder irgend welche anderen Leiter benutzt werden und der Strom wird von denselben durch Stromschlufsrollen s s oder, wenn die Laufschienen die Leitungen bilden, durch die "Wagenräder selbst abgenommen.

Um die sonst erforderliche Schaltung der primären und secundären Stromwandler in Nebenschlufs zu einander zu vermeiden, können die Arbeitsleitungen RR in irgend einer beliebigen Weise in Abtheilungen zerlegt werden, derart, dafs ein auf der Strecke laufender Wagen nur von einem einzigen Stromwandler zu gleicher Zeit Strom erhält. Auf dem Gefährt selbst ist der Wechselstrommotor O angeordnet und unmittelbar mit den Stromschlufsrollen s s verbunden. Die Ankerwelle des Motors wirkt durch einen Riemen r auf die Ankerwelle der Gleichstrommaschine A ein, deren Ankerbewickelung an diejenige des Betriebsmotors B angeschlossen ist. Die letztere ist in geeigneter Weise behufs Fortbewegung des Gefährtes mit dem Radgetriebe des letzteren verbunden. Die Erregermaschine P wird in diesem Falle am zweckmäfsigsten auf dem Wagen selbst angebracht und durch einen Riemen t mit der Welle des Wechselstrommotors O verbunden. Der Anker der Erregermaschine P ist mit dem Feldmagneten der Erzeugermaschine A und der Betriebsmotoren B und O verbunden; sämmtliche Feldmagnete befinden sich in Nebenschlufs zu einander. Um das Angehen des Gefährtes zu ermöglichen, wenn der Motor O so gewählt ist, dafs derselbe bei Nichtbelastung sich nicht von selbst in Bewegung setzt, wird am zweckmäfsigsten eine Sammlerbatterie S verwendet und behufs Ladung mit der Erregermaschine P verbunden, derart, dafs durch die Oeffnung des Schalters« und Schliefsen desjenigen ν die Batterie zur Erregung sämmtlicher Feldmagnete benutzt werden kann, und zwar so lange, bis der Wagen sich fortbewegt. Alsdann kann der Schalter u geschlossen und derjenige ν geöffnet werden, in welchem Falle die Feldmagnete durch die Erzeugermaschine P erregt werden. Um die Wechselstrommaschine ,allmälig anzudrehen, kann die Erzeugermaschine als Motor wirkend von der Batterie aus so lange gespeist werden, bis die synchrone Umdrehungsgeschwindigkeit erreicht ist, in welchem Augenblick der Wechselstrommotor an die Linjenleitung angeschlossen wird. :

Die Zwischenmaschine und der Zwischenmotor können auch zu einer einzigen Maschine vereinigt sein. Eine derartige Anordnung ist in der Fig. 6 dargestellt.

Die Hauptwechselstrommaschine speist durch

■ den Stromwandler für niedrige Spannung N die Motorwickelung des Wechselstrom-Gleichstrom-Umwandlers X, welche Wickelungen mit Ringen \\ auf der Ankerwelle in der W^Teise verbunden sind, dafs der Anker synchron mit demjenigen der Haupt-Erzeugermaschine umläuft. Der Anker des Stromwandlers besitzt auf seinem Kern aufserdem eine fortlaufende Bewickelung, welche in Abtheilungen zerlegt und mit den Stegen des Stromwenders^ verbunden ist. ..■· ' ' '. ;

Die Bürsten ZZ nehmen einen Gleichstrom von dem Stromwender^ ab, welcher dem Betriebsmotor B oder anderen Uebertragungsvorrichtungen in der in der Figur dargestellten Weise übermittelt wird.

Die Erregermaschine versorgt die Fcldmagncte des Umwandler*. Λ* mit Strom, und in der Leitung desselben ist ein regelbarer Widerstand angebracht. Die Acnderung in der Stärke des Feldmagncten von Λ* bccinflufst die durch den Wechselstrom hervorgerufene Umdrehungsgeschwindigkeit des Ankers nicht, aber die Erzeugung des secundären Gleichstromes, und verändert so auch die elektromotorische Kraft des Stromes, welche dem Betriebsmotor oder der sonstigen Uebertragungsvorrichtung zugeführt wird"

Die Bezeichnung «Wechselströme« soll nicht nur für solche Ströme, deren abwechselnde Phasen einander in der Richtung entgegen-, gesetzt sind, sondern auch für sümmtliche stofs-' weise auftretenden, also unterbrochenen Ströme gelten, sowie auch für alle anderen Ströme, deren Beschaffenheit für die Erzeugung von Inductionsströmen geeignet ist.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Verfahren zur Regelung elektrischer Treibmaschinen, bei welchem ohne Aenderung des von einer besonderen Quelle erzeugten Erregerstromes nur der Ankerstrom geändert wird, dadurch gekennzeichnet, dafs zur Erzeugung des veränderlichen Ankerstromes eine besondere Hülfsstromerzeugermaschine von einer Zwischentreibmaschine angetrieben wird, welche letzlere unmittelbar von der Hauptstromquelle gespeist wird.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen.