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Steuerung für eine geradzahlige Anzahl von in Reihenparallelschaltung
anzulassenden und bzw. oder zu betreibenden Gleichstrommaschinen, insbesondere Fahrzeugmotoren,
unter Verwendung eines Gleichstrom-Gleichstrom-Maschinenumformers in Sparschaltung
und Mehr- oder Einankerausführung I)ie 1?rtindung gelt aus von der Aufgabe, eine
geradzahlige Anzahl von Gleichstrommaschinen, insbesondere Fahrzeugmotoren, zu steuern.
Man kann eine geradzahlige Anzahl von Fahrzeugmotoren, die in Reiheciparallelschaltung
an den Klemmen eines Gleichstrom-Gleichstrom-Umformers in Sparschaltung, bestehend
aus z. B. vier mechanisch gekuppelten und elektrisch in Reihe geschalteten Maschinen,
entlang geschaltet werden, mittels dieses Umformers stufenlos anlassen und regeln.
Die Steuerung der Spannung des Maschinenumformers erfolgt hierbei durch Feldregelung
derart, daB in den einzelnen Schaltphasen der Reihenparallelschaltung der Fahrmotoren
die Ankerspannungen des Umformers paarweise gegensinnig zwischen den Werten o und
5o ')/o der Fahrdrahtspannung verändert werden. Man erhält durch einen solchen Umformer
die Vorteile eines verlustarmen.Anfahtens und bei Fremderregung der Fahrmotoren
die Möglichkeit des Nutzbremsens (Energierückgewinnung).
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Bei Verwendung der iiblichen bekannten Steuermittel gestaltet sich
nun die gegensinnige Steuerung der Spannung der Umformermaschinengruppen sehr verwickelt,
zumal auch die Umformerdrehzahl nach Möglichkeit konstant gehalten werden
soll.
Eine wesentlich einfachere Steuerung ist Gegenstand der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist bei einer solchen Steuerung einer der beiden Umformerhälften
eine zugleich als selbsttätiger Regler für die Drehzahl des Umformers ausgebildete
Erregermaschine zugeordnet. Die Erregermaschine hat außer ihrer Selhsterregerwicklung
(Reihen- oder Neberischlußwicklung) zwei besondere magnetisch zueinander gegensinnig
geschaltete Wicklungen, eine Sollwert- und eine Istwertwicklung. Der anderen Umformerhälfte
sind willkürlich betätigte Mittel zur Beeinflussung ihrer Ankerspannung durch Feldregelung
und damit zugleich der Ankerspannung der ersten Umformerhälfte als Ergänzungsspannung
zur Fahrdrahtspannung zwecks Anlassens und Segelns der Fahrmotoren zugeordnet. Solche
willkür-]ich zu betätigenden Mittel zur Beeinflussung der nkerspannung durch Feldregelung
einer Umformerhälfte sind an sich bekannt. Ein weiteres Mittel hierzu, das den besonderen
Vorteil bietet, eine nur sehr geringe Steuerleistung zu erfordern, besteht nach
der weiteren Erfindung darin, daß auch der zweiten Umformerhälfte eine zugleich
als selbsttätiger Regler ausgebildete Erregermaschine mit ebenfalls je einer zur
Selbsterregerwicklung zusätzlichen Sollwert- und einer zu ihr gegensinnig geschalteten
Ishvertwicklung zugeordnet ist; hierbei ist die Istwertwicklung an die Ankerspannung
derUmformerhälfte und dieSollwertwicklung an eine willkürlich zti betätigende Einrichtung
zur Regelung des Stroms in der SollNvertwicklung angeschlossen.
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Bei einer Steuerung nach der Erfindung kann z. B. ein verhältnismäßig
kleines band- oder motorbetätigtes Potentiometer mit einem Schiebe- oder Dreligrif
als Hauptbetätigungsorgan verwendet werden. Um den Potentiometerwiderstand möglichst
klein bemessen zu können, kann man nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung eine
besondere Hilfserreger- oder Verstärkermaschine zur Speisung der Sollwertwicklung
vorsehen. Zur Vereinfachung der Bedienung kann man die Steuerung mit Mitteln zur
selbsttätigen Umschaltung der Gleichstrommaschinen beim Übergang von einer auf die
nächstfolgende Phase der Reihenparallelschaltung ausrüsten, z. B. mit elektromagnetis(-li
betätigten Schaltschützen, die in Abhängigkeit von der Spannung der Umformermaschinen
ansprechen.
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Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung erläutert.
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Fig. i bis 3 zeigt einen aus vier gleichen Maschinen .Il 1 bis M 4
bestehenden Umformersatz. Die Anker der Maschinen sind mechanisch gekuppelt und
elektrisch in Reihe geschaltet. Zwei Fahrmotoren F i und F 2 sind zu Beginn der
Anfahrt (Fig. r ) so geschaltet, daß F t parallel zu 'Il 1 und F 2 parallel zu -11
.4 liegt. Durch die Umformermaschinen :Il 1 und M 4 einerseits und :112 und 313
andererseits werden zwei Gruppen (Umformerhälften) gebildet, deren Ankerspannungen
durch die Fremderregungen der Maschinen gegensinnig steuerbar sind. Die Erregerfelder
der Umformermaschinengruppen werden hierzu gleichzeitig so geregelt, daß zu Beginn
der Anfahrt die volle Netzspannung am Maschinenpaar M 2, M 3 liegt und die Maschinen
-Ilt. .Il 1 spannungslos sind. Durch gleichzeitiges Aberregen des Maschinenpaares
M2, :Vl3 und Auferregen des Maschinenpaares _1l 1, 314 wird erreicht, daß schließlich
je die Hälfte der vollen Spannung an den Maschinen .Il 1. _I14 liegt und das Maschinenpaar
_I12, :I13 spannungslos wird (Fig. i). Auf jeden der beiden Fährmotoren entfällt
dann die halbe Falirdrähtspannung.
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Nun werden die Anschlüsse der Fahrmotoren zwischen den Umformerklemmen
a. b, c, d umgeschaltet. und zwar ztmä chst, wie es Fig. 2 zeigt, Motor F
t parallel zti den Umformermaschinen .1I r Iris 113 und Motor F 2
parallel zu den Umforrnermaschinen -114 bis 11 2. Dann wird der soeben beschriebene
Regelvorgang rückwärts durchlaufen, also das ?Maschinenpaar 11 1, M 4 auf
die Spannung o aberregt und das N4aschinenpaar M 2, .I13 auf je die halbe Fahrdrahtspannung
auferregt (Fig.2). Die Spannung an den Fahrmotoren steigt dabei stetig weiter von
der halben auf die volle Netzspannung.
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Nunmehr werden die Fahrmotoren entsprechend I# ig. 3 direkt an die
Fahrdrahtspannung gelegt, und durch Feldschwächen der mit Rücksicht auf das spätere
Nutzbremsen fremderregten Fahrrnotoren wird die Fahrgeschwindigkeit bis zu ihrem
jeweiligen Höchstwert gesteigert. Der Umformer wird in dem zuletzt erreichten Erregungszustand
erhalten, so daß er beim Zurückschalten der Fahrmotoren auf den Umformer zwecks
Nutzbremsung entsprechend den Verhältnissen der Parallelschaltung bei voller Spannung
betriebsbereit ist.
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Fig.4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die den
Maschinen 3l 2, 313 bei der vorstehend beschriebenen Schaltung entsprechende
Umformerhälfte zu einer einzigen Maschine vereinigt ist. Auch die dem illaschinenpaar
311, t114 entsprechende Umformerhälfte ist hier zu einer Doppelkommutatormaschine
zusammengefaßt. Bei hoher Fahrdrahtspannung kann es zweckmäßig sein, auch die Umformerhälfte
-1l23 analog zu 31 1 4 als Doppelkommutatormaschine auszuführen. Die Anker beider
Umformerhälften sind miteinander mechanisch direkt gekuppelt. Beiden Umformerhälften
ist nun je eine zugleich als selbsttätiger Regler wirkende Erregermaschine 1s 14,
F_ 23 zugeordnet. Die Antriebe der Erregermaschinen sind nicht mit dargestellt.
Im oder am .Ankerkreis einer jeden solchen Erregerrnascliirie liegt eine Reihen-oder
Nebenschlußerregerwicklung, bei dem Ausführungsbeispiel eine Reilienscliltißwicklung,
und ferner die Feldwicklung F 14 bzw. F 23 der zugeordneten Umfornierlt:ilfte. Außerdem
hat jede dieser Erregermaschinen noch zwei Zusatzerregerwicklungen, die magnetisch
zueinander gegensinnig geschaltet sind und von denen die eine (SollwertwicicJung)
von einem willkürlich in der Größe einstellbaren Strom. die andere (Istwertwicklung)
von
einem der zu regelnden Größe proportionalen Strom gespeist wird. Bei der Erregermaschine
I= 23 ist die \\'icklung 2 Istwertwicklung, die Wicklung 3 Sollwertwicklung. Die
in Fig. 5 dargestellte ENIK-Kennlinie der Erregermaschine, herrührend vom Strom
in der Erregerwicklung i allein (el=f (il)), befindet sich in ihrem geradlinigen
Teil bei stromlosen Zusatzwicklungen 2 und 3 zufolge entsprechender Abgleichung
des Gesamtwiderstands im Ankerkreise in Deckung mit der Widerstandsgeraden des Belastungskreises
(rit= f (il)).
Die Spannung, auf die die Maschine E23 sich bei Fremdantrieb
erregt, ist dann unbestimmt, da es keinen eindeutigen Schnittpunkt der EMK-Kennlinie
mit der Widerstandsgeraden gibt, denn jeder Punkt des in Deckung mit der Widerstandsgeraden
befindlichen Teils der EMK-Kennlinie kann Betriebspunkt der Erregermaschine sein.
Die Spannung, auf die sich die Erregermaschine erregt, besitzt also einen Freiheitsgrad.
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Ein fester Betriebszustand stellt sich erst ein, wenn die Durchflutung
der Istwertwicklung 2 in das Gleichgewicht zu der mittels des Steuerwiderstands
30 eingestellten Durchflutung der Sollwert-@% icklung 3 kommt, und zwar aus
folgendem Grund: Es sei angenommen, der Umformer möge mit der Drehzahl n umlaufen,
der Ankerkreis der Erregermaschine sei zunächst noch offen, die Sollwertspule 3
liege an einer konstanten Hilfsspannung, die Istwertwicklung an der Spannung des
l"mformerteils _1123. und zwar so geschaltet, daß sie bei =",uftreten einer induzierten
Spannung an -11 23 eine Gegendurchflutung zur Durchflutung der Sollwertwicklung
bekommt. M 23 ist zunächst aber noch spannungslos. Schließt man nun den Ankerkreis
der Erregermaschine, so wird diese unter dem Einfluß der Sollwertdurchflutung, gewissermaßen
einer remanenten Durchflutung, sich auf jeden Fall selbst erregen. Im Ankerkreis
der Erregermaschine und damit in der Erregerwicklung F 23 der Hauptmaschine M 23
entsteht nun ein Strom und damit eine Spannung an den Bürsten von .1123, die ihrerseits
in der Istwertwicklung 2 eine Gegendurchflutung zur Folge hat. Im _\nkerkreis der
Erregermaschine E23 wird nun der Strom il so lange ansteigen, wie die EMK
e. herrührend von der Summenerregerdurchflutung, über die W dderstandsspannung ril
des Haupterregerkreises überwiegt, d. h. solange die Summenerregerdurchflutung über
die Durchflutung der Reiliensclilußerregerwicklupg i überwiegt. Die Spannung l-
23 von -11 23 wird also so lange steigen, bis die Istwertdurchflutung gerade die
Sollwertdurchflutung auskompensiert.
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Setzt man nun willkürlich den Strom der Sollwertwicklung 3 z. B. auf
die Hälfte des vorigen Wertes herab. so überwiegt für kurze Zeit die Istwertdurchflutung
über die Sollwertdurchflutung. Die Erregermaschine F_ 23 entregt sich so lange,
bis erneut Gleichgewicht zwischen den beiden Durchflutungen erreicht ist, d. h.
bis der Strom in der Istwertwicklung 2 und damit die Spannung der Hauptmaschine
_11 23 auf die Hälfte des vorigen Wertes tierabgegangen ist. Man kann also durch
Regeln des Stroms in der Sollwertspule 3, z. P. mit Hilfe eines Potentiometers 3o,
die Spannung des Umforrnerteils 3'123 auch willkürlich verläil-<lern. Die Fahrmotoren
sind in entsprechender Weise wie bei der Anordnung nach Fig. i bis 3 zwecks Reihenparallelschaltung
zwischen den Umformerklemmen a, b, c, d umschaltbar.
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Man kann nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung die Sollwertwicklung
auch über eine besondere. nicht dargestellte Hilfserreger- oder Verstärkermaschine
speisen, zu deren Beeinflussung ein noch kleiner bemessener veränderlicher Widerstand
verwendbar ist. Außerdem braucht man als Regelspannung am Steuerwiderstand 3o nicht
die volle Fahrdrahtspannung zu verwenden; man kann vielmehr auch eine an geeigneter
Stelle abgegriffene Teilspannung oder eine Hilfsspannung benutzen. so daß einfachere
Schutzmaßnahmen gegen Berührungsgefahr genügen.
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Für die Erregermaschine E 14 (Fig. 4), die das Feld der Umformerhälfte
M 14 beeinflußt, gilt grundsätzlich das gleiche wie für die Erregermaschine F_ 23.
Die nicht näher bezeichnete Istwertwicklung von E 14 wird von einem der Drehzahl
der beiden U mformerhälften proportionalen Strom gesteuert, der beispielsweise von
einer Tourendynamo am Umformersatz geliefert wird. Die dazugehörige, ebenfalls nicht
näher bezeichnete Sollwertwicklung liegt an einer fest einstellbaren Spannung. Durch
diese Schaltung der regelnden Erregermaschine 14 wird verhindert, daß bei Regeln
der Spannung des Umformerteils 11 23 mittels der regelnden Erregermaschine E 23
und der damit verbundenen gegenläufigen Änderung der Ergänzungsspannung des Umformerteils
,11 14 die Umformerdrehzahl ausweichen kann.
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Zur willkürlichen Steuerung des gesamten Umformers braucht also bei
einer Anordnung gemäß Fig.4 lediglich das Regelorgan für die Sollwertspule 3 der
Erregermaschine E 23 betätigt zu werden, während die Erregermaschine F_ 14 durch
die Umformerdrehzahl oder in Abhängigkeit von ihr gesteuert wird.
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Würde man an Stelle von E 23 zur Beeinflussung und Regelung der Ankerspannung
der Um-Z, ?1123 eine ganz normale Erregermaschine bekannter Bauart verwenden, so
würde natürlich die Erregermaschine F_ 14 bei gleichzeitig selbsttätig gegenläufiger
Regelung der Spannung der L'mformerhälfte 31 14 die Umformerdrehzahl ebenfalls selbsttätig
konstant halten.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, für den gesamten magnetischen Kreis
der regelndenErregermaschinen ein Spezialeisen mit äußerst schmaler Hysteresisschleife
zu verwenden und den Luftspalt entsprechend zu bemessen. so daß die E_NZK-Kennlinie
der Erregermaschine möglichst geradlinig im Nullpunkt ansetzt und auch im Bereich
möglichst kleiner Ströme il (vgl. Fig. 5) zur Deckung mit der Widerstandsgeraden
rii gebracht werden kann. Zur Herstellung der möglichst genauen Deckungslage des
\-,N'iderfltaiidsgeraden und der E.\IK-Kennlinie
wird zweckmäßig
im Ankerstromkreis der Erregermaschinen ein Abstimmwiderstand vorgesehen.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann man Mittel vorsehen,
um die am Ende der einzelnen Phasen der Reihenparallelschaltung erforderliche Umschaltung
der zu steuernden Gleichstrommaschinen F i, F 2 zwischen den Umfori:ierklemmen selbsttätig
erfolgen zu lassen.
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Durch die Vereinigung der Maschinen 31 2, JI 3 bzw. 31 i, J1:1 gemäß
dem Ausführungsbeispiel nach Fig.4 läßt sich das Gewicht des Umformers im Vergleich
zu den bei Fig. i bis 3 zugrunde gelegten Anordnungen von vier Umformermaschinen
erheblich verkleinern. Man kann darüber hinaus auch die beiden Umformerhälften zu
einer Einankermaschine mit Zwischenbürsten und Kompensationswicklungen vereinigen,
wie dies in Fig.6 veranschaulicht ist.
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Als weitere 'Maßnahme zur Kleinhaltung des Gewichts der Urnformeranordnung
kann man weiterhin die Schaltung so ausbilden, daß der Umformer nur während derjenigen
Zeit im Stromkreis der Fahrmotoren eingeschaltet bzw. erregt bleibt, in der die
Fahrmotoren nicht an volle Spannung gelegt werden können, d. h. während eines Teils
der Anfahrperiode und während eines Teils der Nutzbremsperiode. In diesem Fall läuft
der Umformer während der übrigen Zeit der Fahrt und der Haltepausen leer, aber einsatzbereit
mit.
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Ein Hauptvorteil der Erfindung liegt darin, daß die gegenläufige Steuerung
der Spannungen der Umformerhälften gegenüber der in Fig. i bis 3 dargestellten Anordnung
insbesondere hinsichtlich der Konstatithaltung der Umformerdrehzahl wesentlich vereinfacht
ist. Auch sind die bei jener noch beträchtlichen Verluste im Widerstandsregler vermieden.
Im übrigen genügt es, lediglich einen Schiebe- oder Drehkontakt als hand- oder motorbetätigtes
Organ zu bewegen, um damit die Maschinen F i. F 2 im gesamten Regelbereich
zu steuern.