DE848668C

DE848668C - Arrangement for the automatic field weakening of electric motors with series winding

Info

Publication number: DE848668C
Application number: DEP28050A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Weier
Original assignee: BROWN AG; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BROWN AG; BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1946-04-29
Filing date: 1948-12-30
Publication date: 1952-09-08

Description

Anordnung für die automatische Feldschwächung von elektrischen Motoren mit Serienwicklung Für den Antrieb elektrischer Fahrzeuge wird im allgemeinen der Serienmotor verwendet. Um höhere Drehzahlen bei einem gegebenen Drehmoment zu erreichen, wird bekanntlich die Serienwicklung der Triebmotoren geshuntet oder mit Anzapfungen versehen. Diese Art der Drehzahlregulierung hat aber, insbesondere bei hohem Sliuntungsgrad und vielen Motorei, einen bedeutenden Aufwand an Apparaten und Widerständen zur Folge und, ist mit wesentlichen Verlusten verbunden.Arrangement for the automatic field weakening of electric motors with series winding The Series engine used. To achieve higher speeds at a given torque, As is well known, the series winding of the traction motors is shunted or with taps Mistake. However, this type of speed regulation has, especially in the case of a high degree of smoothing and many motorei, a significant amount of equipment and resistors for Consequence, and, is associated with substantial losses.

Die Erfindung bezieht sich auf eine automatische Feldschwächung von Motoren, welche von einer Stromduelle gespeist werden, bei der mit abneIimen<lem Strom die Spannung zunimmt, wobei die erwähnten zusätzlichen Einrichtungen und Widerstände der bisherigen Regulierungen vermieden werden. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Statoren der Motoren außer einer Serienwicklung eine Regulierwicklung erhalten, welche in Abhängigkeit der Spannung oder des Stroms so reguliert wird, daß bei zunehmender Spannung oder abnehmendem Strom das Magnetfeld geschwächt wird. -Die Wirkungsweise dieser automatischen Feldschwächung ist an Hand der in Fig. i dargestellten Kurven näher erläutert, wobei die Ordinate (Spannung, Drehzahl und Drehmoment) sowie die Abszisse (Strom) in Prozenten angegeben sind. Die"Kurve E zeigt die Spannung eines Generators in Funktion des Stroms (I) für eine konstante Antriebsleistung, wobei dieser Generator beispielsweise die Triebmotoren eines Fahrzeugs speist und durch einen Dieselmotor oder eine Gasturbine angetrieben wird. Der speisende Generator kann aber auch eine abfallende äußere Charakteristik Ei haben. Die Kurve i zeigt die Drehzahl und die Kurve 2 das Drehmoment in Funktion des Stroms für einen mit konstanter Leistung gespeisten Serienmotor. Wenn angenommen wird, daß der Generator für eine maximale Spannung entsprechend dem Punkt X bemessen ist, so wird beispielsweise für ein Drehmoment entsprechend Punkt Y die Drehzahl des Motors einen maximalen Wert (Punkt Z) von etwa 2oo% erreichen. Wird aber für dieses Drehmoment eine Drehzahl von etwa 300% verlangt, so müßte der Generator entsprechend Kurve E statt 140% etwa 2io°/o Spannung (Punkt U) abgeben können und dementsprechend etwa 5o o/, größer gewählt werden. Um dies zu vermeiden, kann in bekannter Weise die Serienwicklung so geshuntet werden, daß Drehzahl und Drehmoment des Motors entsprechend Kurve 3 bzw. 4 verlaufen. Dabei steigt entsprechend einer Verschiebung des Drehmoments von Punkt Y auf Y' der Strom von etwa 480/0 auf etwa 720/(,. Diese Shuntung von Serienmotoren bedingt aber Starkstromschützen und Parallelwiderstände für die Serienwicklung und hat den großen Nachteil, daß bei Shuntung in wenigen Stufen (viele Stufen fallen wegen Starkstromapparatur außer Betracht, da bei zwölf Motoren und einer Shuntung in vier Stufen bereits sechsunddreißig Starkstromschaltelemente erforderlich sind) große Stromstöße auftreten und dadurch die Antriebsmotoren der Generatoren, also . z. B. die Gasturbinen oder Dieselinotoren, überlastet werden. Diese Überlastungen können nur durch wesentliche Komplikationen der Regulierorgane und gleichzeitig momentane Leistungseinbußen vermindert werden, * was aber keineswegs erwünscht ist.The invention relates to an automatic field weakening of Motors, which are fed by a current duel, in which with abneIimen <lem Current increases the voltage, with the mentioned additional devices and resistors of the previous regulations can be avoided. In accordance with the invention, this is how achieves that the stators of the motors have a regulating winding in addition to a series winding obtained, which is regulated as a function of the voltage or the current, that with increasing voltage or decreasing current, the magnetic field is weakened. The mode of action of this automatic field weakening is illustrated in FIG illustrated curves explained in more detail, where the ordinate (voltage, speed and Torque) and the abscissa (current) are given in percentages. The curve E shows the voltage of a generator as a function of the current (I) for a constant Drive power, with this generator, for example, the traction motors of a vehicle feeds and is driven by a diesel engine or a gas turbine. The dining one However, the generator can also have a falling external characteristic Ei. The curve i shows the speed and curve 2 shows the torque as a function of the current for one Series engine fed with constant power. Assuming that the generator is dimensioned for a maximum voltage corresponding to point X, for example for a torque corresponding to point Y, the speed of the motor has a maximum Achieve value (point Z) of about 2oo%. But it becomes a speed for this torque of about 300% required, the generator would have to correspond to curve E instead of about 140% Can emit 2io per cent voltage (point U) and accordingly about 50 per cent greater to get voted. In order to avoid this, the series winding can be used in a known manner are shunted so that the speed and torque of the motor correspond to curve 3 or 4 run. At the same time, a shift in the torque increases from Point Y to Y 'the current from about 480/0 to about 720 / (,. This shunt of series motors but requires high-voltage contactors and parallel resistors for the series winding and has the big disadvantage that with shunting in a few steps (many steps fall Out of consideration due to heavy current equipment, since there are twelve motors and one shunt thirty-six high-voltage switching elements are required in four stages) large current surges occur and thereby the drive motors of the generators, so . z. B. the gas turbines or diesel engines are overloaded. These overloads can only through substantial complications of the regulatory organs and at the same time momentary loss of performance can be reduced, * which is by no means desirable.

Durch die automatische Feldschwächung mittels einer Regulierwicklung gemäß der Erfindung ist es nunmehr ohne weiteres möglich, ohne Schützen und zusätzliche Widerstände automatisch für jede Spannung am Generator eine ganz bestimmte Feldschwächung zu erreichen, so daß beispielsweise der Servofeldregler genau wie bei einem reinen Serienmotor arbeitet. Es treten also keine momentanen Überlastungen für die Antriebsmaschine auf, so daß keine Hilfsmittel für das richtige Funktionieren des Servofeldreglers notwendig sind. Die Kurven 5 und 6 zeigen Drehzahl und Drehmomentverlauf in Funktion des Stroms bei Anwendung der neuen automatischen Regulierung, wobei sofort ersichtlich ist, daß der Motor seinen Seriencharakter beibehält und das gleiche Anfahrdrehmoment wie der reine Serienmotor entwickelt. Gemäß Kurve 6 tritt beim Dauerdrehmoment (iooo/o) nur eine Stromüberlastung von etwa 70/, gegenüber etwa 35% gemäß Kurve 4 beim geshunteten Serienmotor auf: Das Drehmoment sinkt erst wesentlich ab, wenn die Drehzahl stark steigt, d. h. bei großen Lasten bzw. großer Zugkraft hat der Motor den Verlauf des reinen Serienmotors, um gemäß Kurve 5 bei kleinen Lasten bzw. kleinen "Zugkräften in der Drehzahl steil anzusteigen. Die Feldschwächung erfolgt also rein automatisch und ist bei großen Strömen bzw. kleinen Spannungen praktisch unwirksam, um bei kleinen Strömen bzw. großen Spannungen im verstärkten Maße aufzutreten.Due to the automatic field weakening by means of a regulating winding according to the invention it is now easily possible without protection and additional Resistors automatically create a specific field weakening for each voltage on the generator to achieve, so that, for example, the servo field controller exactly as with a pure Series engine works. So there are no momentary overloads for the prime mover so that no tools for the correct functioning of the servo field controller are necessary. Curves 5 and 6 show the speed and torque curve in function of the current when using the new automatic regulation, which can be seen immediately is that the engine retains its series character and the same starting torque developed like the pure series engine. According to curve 6, with continuous torque (iooo / o) only a current overload of about 70 /, compared to about 35% according to curve 4 in the shunted Series engine on: The torque only drops significantly when the speed is high increases, d. H. with high loads or high tensile force, the motor has the course of the pure series engine according to curve 5 with small loads or small "tensile forces to increase steeply in speed. The field weakening is therefore purely automatic and is practically ineffective with large currents or small voltages, to with small Currents or large voltages occur to a greater extent.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfin-Jung in schematischer Weise dargestellt. Hier handelt es sich beispielsweise um ein Fahrzeug, bei dem der Hauptgenerator G von einem Dieselmotor D angetrieben wird. Der Generator G liefert die Spannung für die Triebmotoren. M, die je mit einer Serienwicklung S und einer Regulierwicklung R versehen sind. Diese letztere liegt an den Klemmen des Hauptgenerators G und eines Hilfsgenerators H. Der Hauptgenerator G ist mit seiner veränderlichen Spannung dem Hilfsgenerator H mit seiner konstanten Spannung entgegengeschaltet. Wenn nun der Hauptgenerator G nicht erregt ist, d. h. die Motoren M keine Spannung haben, so liegen die Regulierwicklungen R der Motoren an der Hilfsgeneratorspannung und unterstützen dabei die Serienwicklungen der Motoren. Steigt die Generatorspannung auf die gleiche Spannung wie diejenige des Hilfsgenerators, so fließt in der Regulierwicklung kein Strom, und das Motorfeld wird dadurch entsprechend geschwächt. Bei weiterem Anstieg der Hauptgeneratorspannung kehrt der Strom in der Regulierwicklung R um, und es wird dadurch das Motorfeld weiter geschwächt. Es kann natürlich das Spannungsverhältnis von Haupt- und Hilfsgenerator so gewählt werden, daß der Strom in der Regulierwicklung R nicht umkehrt. Dies ergibt aber einen Motor mit schwächerer Serienwicklung und bedeutend größerer Regulierwicklung. Dabei steigt der Anteil der Fremderregung, welche sich mit der Generatorspannung ändert, auf beispielsweise 6o o/" so daß ; für die Serienwicklung nur noch 4o0/, Amperewindungen übrigbleiben. `'Fenn aber die Hauptgeneratorspannung größer als die Hilfsgeneratorspannung gewählt wird, so kann bei der Feldschwächung gemäß Kurve 5 (Fig. i) der Anteil der Serienwicklung verdoppelt, d. h. mit 8o0/, gewählt werden. Die Regulierwicklung benötigt dabei für die gleiche Feldschwächung nur 20% Amperewindungen.In Fig. 2 is an embodiment of the Erfin-Jung in schematic Way presented. This is, for example, a vehicle in which the main generator G is driven by a diesel engine D. The generator G delivers the voltage for the traction motors. M, each with a series winding S and a Regulating winding R are provided. The latter is connected to the terminals of the main generator G and an auxiliary generator H. The main generator G is variable with its Voltage connected to the auxiliary generator H with its constant voltage. If now the main generator G is not energized, i. H. the motors M no voltage the regulating windings R of the motors are connected to the auxiliary generator voltage and support the series windings of the motors. The generator voltage increases to the same voltage as that of the auxiliary generator, it flows in the regulating winding no current, and the motor field is weakened accordingly. With further If the main generator voltage increases, the current in the regulating winding R reverses, and the motor field is thereby further weakened. It can of course be the tension of the main and auxiliary generator are selected so that the current in the regulating winding R does not reverse. However, this results in a motor with a weaker series winding and significantly larger regulation development. The proportion of external excitation increases which changes with the generator voltage, for example to 6o o / "so that; for the series winding only 4o0 /, ampere-turns remain. `` 'Fenn though the main generator voltage is chosen to be greater than the auxiliary generator voltage, so For the field weakening according to curve 5 (FIG. i), the proportion of the series winding can be doubled, d. H. with 8o0 /, can be selected. The regulation winding is needed for the same field weakening only 20% ampere turns.

Die Regulierwicklungen R können auf einen oder mehrere Pole verteilt sein, oder es kann auch mindestens ein Pol vorhanden sein, der nur die Regulierwicklung trägt.The regulating windings R can be distributed over one or more poles be, or there can be at least one pole that only the regulating winding wearing.

Die Fig. 3 zeigt eine weitere Anordnung gemäß der Erfindung, bei der in Reihe mit dem Hilfsgenerator H noch eine Reguliermaschine F geschaltet ist. Diese Maschine F ist mittels der Erregerwicklung N mit der veränderlichen Spannung des Hauptgenerators G erregt und dem Hilfsgenerator H entgegengeschaltet. Dadurch, daß die Regulierwicklung R an den Klemmen des Hilfsgenerators 1I und der Maschine F liegt, wirkt die Regulierwicklung R bei kleiner Generatorspannung im gleichen Sinne wie die Serienwicklung S des Triebmotors. -Mit steigender Generatorspannung kehrt der Strom in der Regulierwicklung allmählich um und wirkt somit der Serienwicklung S entgegen, so daß eine Feldschwächung des Motors erfolgt. Die Maschine F kann entweder nur mit einer Fremderregung oder auch noch zusätzlich mit einer Eigenerregung versehen sein.Fig. 3 shows a further arrangement according to the invention in which a regulating machine F is connected in series with the auxiliary generator H. These Machine F is by means of the excitation winding N with the variable voltage of the The main generator G is energized and the auxiliary generator H is connected in opposition. As a result of that the regulating winding R at the terminals of the auxiliary generator 1I and the machine F, the regulating winding R acts when the generator voltage is low in the same sense as the series winding S of the drive motor. -With increasing generator voltage the current in the regulating winding gradually reverses and thus acts on the series winding S opposite, so that a field weakening of the motor takes place. The machine F can either provided only with an external excitation or also with an additional self-excitation be.

Indem sich der Strom mit der Spannung ändert, kann natürlich auch in Funktion des Stroms geregelt werden. Falls von einer Regulierung in Abhängigkeit der Spannung abgesehen wird, kann die Wirkung der Regulierwicklung auch mit der Kontrollerstellung des Fahrzeugs beeinflußt werden. In solchen Fällen, wo die Regulierwicklung gleichzeitig mit der Drehzahl oder Füllung des Dieselinotors beeinflußt wird, ist der Feldschwächungsgrad nicht mehr von der Fahrzeuggeschwindigkeit allein abhängig. Wenn aber die Regulierwicklung von der Generatorspannung oder dessen Strom abhängig gemacht wird, so ergibt sich auf jeder Kontrollerstufe, d. h. unabhängig von der Gasturbinen-oder Dieselmotordrehzahl, bei großer Zugkraft praktisch keine und bei kleiner Zugkraft eine sehr starke Feldschwächung. Auch kann die Regulierwicklung nach Belieben, z. B. bei kleinen Fahrg ), schwindigkeiten, an die konstante Hilfsgeneratore spannung angeschlossen bleiben, d. h. die Feldschwächung kann zu einem beliebigen Zeitpunkt eingeleitet werden, beispielsweise durch den Kontroller oder mittels eines Schalters P (Fig. 3). Ebensogut kann der Grad der Feldschwächung verändert werden, beispielsweise durch verschiedene Abgriffe der Generatorspannung am Parallelwiderstand L (Fig. 2) bzw. am Widerstand h (Fig.3) oder durch Veränderung der Erregung des Hilfsgenerators.As the current changes with the voltage, it is of course also possible to regulate as a function of the current. If there is no regulation as a function of the voltage, the effect of the regulating winding can also be influenced with the creation of control of the vehicle. In those cases where the regulating winding is influenced simultaneously with the speed or filling of the diesel engine, the degree of field weakening is no longer dependent on the vehicle speed alone. If, however, the regulating winding is made dependent on the generator voltage or its current, there is practically no field weakening at each controller stage, ie regardless of the gas turbine or diesel engine speed, with a high pulling force and a very strong field weakening with a low pulling force. The regulating winding can also be used at will, e.g. B. at small Fahrg ), speeds, remain connected to the constant auxiliary generator voltage, ie the field weakening can be initiated at any time, for example by the controller or by means of a switch P (Fig. 3). The degree of field weakening can just as well be changed, for example by different taps of the generator voltage at the parallel resistor L (FIG. 2) or at the resistor h (FIG. 3) or by changing the excitation of the auxiliary generator.

Obwohl die beschriebenen Ausführungsbeispiele sich auf Fahrzeuge beziehen, bei denen der Generator für die Speisung der Triebmotoren von einem Dieselmotor oder einer Gasturbine angetrieben wird, ist die Erfindung keineswegs auf Fahrzeuge beschränkt. Sie kann ebensogut für Antriebe von Kranen, Winden, Spillen usw. angewendet werden, wobei die durch automatische Feldschwächung geregelten -Motoren von einem Netz aus gespeist werden, hei welchem sich die Spannung mit dem Strom ändert.Although the exemplary embodiments described relate to vehicles, where the generator is used to feed the traction motors from a diesel engine or a gas turbine is driven, the invention is by no means applicable to vehicles limited. It can just as well be used for drives for cranes, winches, capstans, etc. The motors controlled by automatic field weakening are controlled by a Mains are fed off, which means that the voltage changes with the current.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Arrangement for the automatic field weakening of electric motors with series windings, which are fed by a power source in which the voltage increases with decreasing current, characterized by that the stators are provided with an additional regulating winding, the latter depending on the voltage or the current is regulated so that with increasing Voltage or decreasing current, the motor field is automatically weakened.

2. Arrangement according to claim i, characterized in that the regulating winding is connected to the voltage of the main generator feeding the engine and an auxiliary generator, wherein at least part of the main generator voltage is connected in opposition to that of the auxiliary generator is.

3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the part of the main generator voltage which counteracts the auxiliary generator voltage is smaller than the auxiliary generator voltage. : I. Arrangement according to Claim 2, characterized in that the part of the main generator voltage which counteracts the auxiliary generator voltage is greater than the auxiliary generator voltage. 5. Arrangement according to claim 2, characterized in that the part of the main generator voltage which counteracts the auxiliary generator voltage is the same as the auxiliary generator voltage. 6. Arrangement according to claim 2, characterized in that the size of the field weakening is set by different voltage taps on the main generator voltage. 7. The arrangement according to claim i, characterized in that the regulating winding is connected to the voltage of an auxiliary generator and a regulating machine connected in series with this, the voltage of the auxiliary generator counteracting that of the regulating machine and the regulating machine is excited from the main generator so that the voltage of the regulating machine is between zero and a value higher than that of the auxiliary generator voltage. B. Arrangement according to claim 7, characterized in that the voltage of the regulating machine is less than the auxiliary generator voltage. G. Arrangement according to Claim 7, characterized in that the voltage of the regulating machine is greater than the auxiliary generator voltage. ok Arrangement according to Claim 7, characterized in that the voltage of the regulating machine is the same as the auxiliary generator voltage. i i. Arrangement according to Claim 7, characterized in that the magnitude of the motor field weakening is set by setting the excitation of the regulating machine. 12. The arrangement according to claim 2 and 7, characterized in that the size of the motor field weakening is set by the excitation setting of the auxiliary generator. 13. The arrangement according to claim i, characterized in that the influence of the regulating = winding is controlled by the speed setting of the drive machine of the main generator. 14. The arrangement according to claim i, characterized in that the main generator voltage of the regulating winding is switched in opposition only at higher speeds, depending on the creation of the control. 15. The arrangement according to claim t, characterized in that the main generator voltage of the regulating winding is switched in opposition only at higher speeds, in dependence on the main generator voltage.