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Anordnung zur selbsttätigen Steuerung der Strom-Spannungskennlinien
von Gleichstrommaschinen, insbesondere zur Leistungssteuerung brennkraftelektrischer
Antriebe In vielen Fällen ist es erwünscht, die Strom-Spannungskennlinie eines Gleichstromerzeugers
so zu beeinflussen, daß sie nicht nur die Anforderungen erfüllt, die von den angeschlossenen
Verbrauchern gestelltwerden,sondern auch ihreAntriebsmaschine nicht unzulässig beansprucht.
Ein bekanntes Beispiel dafür sind brennkraftelektrische Antriebe. Bei ihnen sollen
die Antriebsmotoren das für Fahrzeuge erwünschte Reihenschlußverhalten aufweisen,
aber mit Rücksicht auf die geringe Überlastungsfähigkeit der Brennkraftmaschine
darf auch die vom Gleichstromerzeuger benötigte Leistung bei allen Geschwindigkeiten
ein gewisses Maß nicht überschreiten. Die Maschine soll vielmehr im ganzen Geschwindigkeitsbereich
mit gleichbleibender Leistung betrieben werden können. Mit Rücksicht auf den Generator
sollen aber Strom und Spannung bei einer gewissen Höhe selbsttätig eine Begrenzung
erfahren. In Fig. r stellt die ausgezogene Kurve eine solche ideale Strom-Spannungskennlinie
dar. Es ist nun eine Reihe von Schaltungen bekanntgeworden, die eine solche Kennlinie
anstreben, ohne sie in der vollkommenen Form zu erreichen. Die vorliegende Erfindung
ermöglicht nun nicht nur, die Kennlinie in dieser vollkommenen Form auszufahren,
und zwar ohne Verwendung von Reglern, sondern auch den. Verlauf der Kennlinie unter
Beibehaltung ihres grundsätzlichen Verlaufs
weitgehend und mit
-einfachen Mitteln willkürlich zu beeinflussen.
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Die Erfindung benutzt einen normalen nebenschlußerregten Gleichstromgenerator;
der Nebenschlußkreis ist so bemessen, daß die Maschine im unbestimmten Teil ihrer
Kennlinie arbeitet. Wie bereits vorgeschlagen, ist jedoch in den Nebenschlußkreis
noch ein Querfeldmaschinenverstärker eingeschaltet, durch den das Verhalten des
Generators bestimmt wird. Bei dieser Schaltung entwickelt der Maschinenverstärker
nennenswerte Spannungen nur bei sehr rasch verlaufenden Feldänderungen im Gleichstromgenerator.
Im ausgeregelten Zustand ist dagegen die vom Maschinenverstärker zu liefernde Spannung
sehr gering. Die Einschaltung in, den Nebenschlußkreis weist dem Maschinenverstärker
in der Hauptsache nur Feldänderungsspannungen zu, da die Ohmschen Spannungen des
Erregerkreises von der Klemmenspannung des Generators selbst gedeckt werden. Dadurch
wird die Leistung des Maschinenverstärkers an sich nicht groß. Infolge seiner Verstärkerwirkung,
die das Mehrtausendfache betragen kann. ist die an seiner Erregerwicklung benötigte
Leistung äußerst gering. Seine Erregerwicklung kann daher leicht in Differenzschaltung
von zwei Spannungen gespeist werden. Von diesen ist die eine im wesentlichen konstant,
die andere dagegen der Leistung des Generators verhältnisgleich. Die .erste Spannung
entspricht daher dem Sollwert, die zweite dem Istwert der Leistung. Die zweite Spannung
wird aus einer 'kleinen Meßmaschine entnommen, die mit einer 'der Spannung des Hauptgenerators
entsprechenden Dre'hza'hl angetrieben und mit einem dem Stromdes Hauptgenerators
entsprechenden Strom erregt wird. Die Spannung der Meßmaschine ist demnach dem Produkt
aus Spannung und Strom der Hauptmaschine verhältnisgleich. Kimmt nun der Verbraucherstrom
zu, so würde bei gleichbleibender Drehzahl der Meßmaschine die den Istwert der Leistung
darstellende Spannung über den Soll-,vert anwachsen. Dieser Vorgang hat über den
Maschinenverstärker eine Verkleinerung der Hauptgeneratorspannung zur Folge, bis
sich bei einem neuen. Wert wieder Gleichgewicht zwischen Istwert und Sollwert der
Leistung einstellt. Um Spannung und Strom des Hauptgenerators auf gewisse Höchstwerte
zu begrenzen, werden nach Überschreiten dieser einstellbaren Grenzen Fremdspannungen
sowohl für ,die Drehzahl als auch für das Feld der Meßmaschine wirksam, so daß sowohl
Drehzahl als auch Feld durch jeweils zwei Größen bestimmt werden können. Sperrgleichrichter
vor jeder dieser Größen bewirken, daß nur jeweils eine, und zwar die höhere von
beiden wirksam ist.
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Einige Ausführungsbeispiele lassen das Wesen der Erfindung besser
erkennen. In Fig. 2 ist eine Anordnung gemäß- vorliegender Erfindung angedeutet,
bei der i einen von einem Dieselmotor ?-
angetriebenen Gleichstromgenerator
(Hauptgeneratar) bedeutet. Der Hauptstromkreis (dick ausgezogen) speist die beiden
Fahrmotoren 3 und q., die als Reihenschlußmotoren dargestellt sind. Der Widerstand
des Nebenschlußkreises des Hauptgenerators ist so gewählt, daß die Widerstandsgerade
I,-Re möglichst gut mit dem geradlinigen Teil der Generatorkennlinie zusammenfällt
(Fig.3). Im Nebenschlußkreis liegt in Reihe mit der Erregerwicklung der Querfeldmaschinenverstärker
5, .der mit Kompensationswicklung 6 und Erregerwicklung 7 versehen sei. Im ausgeregelten
Zustand muß der Maschinenverstärker nur die Differenzspannurig Ui aufbringen. Feldänderungen
im Hauptgenerator bedingen dagegen eine wesentlich höhere Spannung im Erregerkreis,
die der Maschinenverstärker rasch und trägheitsfrei zu liefern vermag. Die Leistung
an der Erregerwicklung 7 ist nur sehr klein und wird in Differenzschaltung von zwei
Quellen geliefert. Die eine Quelle 8, durch einen Akkumulator dargestellt, gibt
eine konstante Spannung U2, die dem Sollwert der Leistung entsprechen soll. Die
andene entgegenwirkende Spannung U3 ist dem Istwert der Leistung verhältnisgleich
und wird der Meßmaschine 9 entnommen. Diese wird im Ständer mit einem dem Strom
f im Hauptkreis entsprechenden Strom gespeist, der an einem Nebenschluß abgegriffen
wird. Die Meßmaschine 9 wird durch einen Motor i i angetrieben, dessen Feld konstant
erregt ist, z. B. aus der Gleichstromquelle 12" während der Anker mit der Spannung
U gespeist wird. Die Drehzahl der Meßmaschine ist daher der Spannung U verhältnisgleich,
ihr Feld dagegen dem Strom, so daß die Spannung U3 dem Istwert der Leistung entspricht.
Macht man die Spannung an der Erregerwicklung 7 klein gegenüber U2 und U3, so wird
U3 bestrebt sein, U2 möglichst gut zu erreichen. Ist U3 kleiner als U2, so wird
die Richtung des Feldes in 7 durch U" bestimmt. Der Maschinenverstärker wird dann
bestrebt sein, den Hauptgenerator auf höhere Spannung zu regeln. Ist U3 größer,
so ist das Gegenteil der Fall. U3 ändert sich sowohl mit T als auch mit U. Wird
T größer, weil die Motoren 3 und q. ein größeres Moment entwickeln müssen, so steigt
U3 und bewirkt eine Abnahme des Feldes im Hauptgenerator. Infolgedessen nehmen U
sowie die Drehzahl von 9 ab, bis sich U2 und U3 wieder im Gleichgewicht befinden.
Es ist also nicht möglich, daß die Leistung des Dieselmotors überschritten wird,
sie ist stets durch die Spannung U2 vorgeschrieben. Steigt I, so fällt
U, und umgekehrt, die Leistung würde sich in Fig. i auf .der Linie B'-C'
bewegen, und zwar vollkommen selbsttätig, ohne daß Kontakte betätigt werden oder
die Kennlinien der Maschine zur Steuerung herangezogen werden. Der Dieselmotor kann
vielmehr mit stets gleichbleibender Dre'hza'hl durchlaufen. Die Schaltung erlaubt
aber auf einfache Weise eine Begrenzung der Leistungshyperbel sowohl nach Strom
wie nach Spannung, so daß die ideale Form A-B-C-D in Fig. i zustande kommt.
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Fig: q. zeigt die erweiterte Schaltung. Soweit die gleichen Zeichen
verwendet wurden, haben sie die gleiche. Bedeutung wie in Fig. 2. An Stelle der
Gleichstromquellen 8 und 12 dient ein besonderer
kleiner Hilfsgenerator
13, der das Hilfsnetz mit der Spannung U., speist. Eine Regelung der konstant zu
haltenden Leistung kann mit Hilfe des Reglers 1.4 im Erregerkreis der Meßmaschine
erfolgen. Wenn nun der Strom J immer kleiner wird, so wird auch das Feld in 9 immer
kleiner, und U muß immer größere Werte annehmen, damit U3 dem Sollwert gleichkommt.
Legt man nun von einem gewissen Kleinstwert des Stromes J ab eine konstante fremde
Spannung an die Erregerwicklung der Meßmaschine, so bleibt das Feld in 9 konstant,
und damit ändert sich auch U nicht mehr, weil jed-a weitere Anwachsen von U ein
entsprechendes Steigen von U3 zur Folge hätte. Bei weiter abnehmendem Strom J bewegt
sich U auf der Geraden A-B in Fig. i. Das Anlegen einer konstanten Spannung an.
die Erregerwicklung von 9 wird selbsttätig durch einen Trockengleichrichter bewirkt,
der wechselstromseitig mit einer konstanten Wechselspannung gespeist wird. Diese
kann über einen Umspanner 16 von drei Hilfsschleifringen der Hilfserregermaschine
13 entnommen werden. Eine Sperrzelle 17 verhindert, daß der Gleichrichter 15 sich
auf den Widerstand io belastet. Ebensowenig kann sich die am Widerstand io auftretende
Spannung über den Gleichrichter 15 belasten. Es kann sich also jeweils immer nur
eine der beiden Spannungen, entweder die am Widerstand io oder die am Gleichrichter
15, auf die Erregerwicklung von 9 auswirken, die andere wind dann sofort unwirksam.
Ändert man die Gleichrichterspannung z. B. mit dem Stufenschalter 18, so kann man
die Höhe der Spannung, bei der die Leistungshyperbel abbiegt, beliebig einstellen.
Eine ähnliche Anordnung ist auch für die Speisung des Ankers des Antriebsmotors
1i getroffen. Er wird über einen Sperrgleichrichter von der Spannung U gespeist
und parallel dazu über den Gleichrichter i9 und den Stufenschalter 2o ebenfalls
vom gleichen Umspanner 16. Mit zunehmendem Strom J nimmt U immer weiter ab. Von
einer gewissen einstellbaren Mindesthöhe ab bestimmt aber die dann wirksam werdende
Spannung des Gleichrichters i9 die Drehzahl der Meßmaschine, und ein weiteres Anwachsen
des Stromes wird verhindert. Dieser kann dann bis zum Stillstand konstant bleiben.
Mit Hilfe von Anzapfungen am Umspanner 16 kann auch hier die Höhe des Anfahrstromes
nach Belieben eingestellt werden, und zwar bedeutet abnehmende Spannung eine Vergrößerung
des Stromes. Die Gerade C-D kann daher beliebig parallel zu sich verschoben «erden,
ebenso wie die Gerade A-B. Eine Verschiebung des Hyperbelastes B-C kann durch den-Widerstand
1.4 bewirkt werden, so daß also eine derartige Steuerung die weitestgehende Einstellbarkeit
und Regelfähigkeit aufweist und sich auf die jeweils eingestellten Werte selbsttätig
einregelt. Sogar eine völlig stufenlose Einstellung der beiden Größen Spannung und
Strom ist möglich, wenn man statt des Stufenumspanners 16 stufenlos regelbare Umspanner
(Doppeldrehumspanner) vorsieht.
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Einige zahlenmäßige Angaben zeigen die Größenordnung der für die neue
Schaltung benötigten Einzelteile. Bei einer Leistung des Hauptgenerators von 5oo
kW beträgt seine Erregerleistung etwa 2,5 kW. Sieht man den Maschinenverstärker
für die gleiche Leistung vor, so kann man damit Feldänderungen des Hauptgenerators
in nahezu vernachlässigbar kleinen Zeiten ausregeln. Der Maschinenverstärker habe
eine Verstärkungsziffer von 25oo, so daß an seiner Erregerwicklung 7 nur eine Steuerleistung
von rund i Watt benötigt wird. Sie sei als Differenz zweier sehr großer Werte gebildet,
von denen jeder fünfzigmal so groß sei. Demnach wäre die Meßmaschine für 5o Watt
zu bemessen und ihr Antriebsmotor für etwa 9o Watt, !die Hilf serregermaschine für
etwa Zoo Watt. In ähnlicher Größenordnung bewegen sich die Gleichrichter und Umspanner.
Das ganze Steuergerät entspricht demnach der Größenordnung von Verstellmotoren.
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Fig. 5 zeigt eine weitere Anwendung des Erfindungsgedankens, die sich
besonders gut für Fahrzeuge mit Raupenantrieb eignet. Die ganze Regelung erfolgt
ausschließlich in Stromkreisen kleiner Stromstärke, im Hauptstromkreis findet keinerlei
Regelung statt. Jeder Fahrmotor kann unabhängig vom anderen geregelt und umgesteuert
werden, und eine Überlastung des Dieselmotors wird gemäß vorliegender Erfindung
vermieden. Die Bezeichnungen haben wieder die gleiche Bedeutung wie oben, die Anker
der Fahrmotoren sind jedoch in Reihe geschaltet, und die Erregerwicklungen werden
von der Spannung U2 des Hilfsgenerators 13 über die Umkehrregler 21 und 22 gespeist.
Ferner ist noch ein gemeinsamer Regler 23 vorgeschaltet. Ein Unterschied gegenüber
Fig. 4 besteht noch darin, daß die Spannung des Hauptgenerators U nicht unmittelbar
dem Anker des Antriebsmotors i i zugeführt wird, sondern von Hilfsschleifringen
am Hauptgenerator über den Umspanner 24 und den Gleichrichter 25. Dies erfolgt lediglich
zu dem Zweck, um ein Rückarbeiten (Bremsen) der Fahrmotoren auf den Hauptgenerator
zu ermöglichen. Fig. 6 zeigt die mit dieser Schaltung erzielbare Strom-Spannungskennlinie.
Durch Betätigen des Stufenschalters 2o wird die Strombegrenzungsgerade C-D-E beliebig
nach links oder rechts verschoben und damit der Strom im Hauptstromkreis vorgeschrieben.
Mit diesem Schalter kann der Regler 23 gekuppelt sein (gestrichelt angedeutet),
der mit dem Strom auch :das Feld in den Fahrmotoren verändert. Unabhängig davon
kann aber das Feld in jedem Motor durch die Umkehrregler 2i und 22 zusätzlich beeinflußt
werden. Strom und Feld besitzen daher in jedem Motor vorgegebene Werte unabhängig
von der Spannung. Es handelt sich demnach um eine reine Drehmomentsteuerung. Solange
die mit der Drehzahl steigende Ankerspannung den mit Rücksicht auf die Leistung
zulässigen Wert nicht übersteigt, bleibt der Strom im Ankerkreis konstant. Sowie
aber die Stromgerade die Leistungshyperbel schneidet, bewegt sich der Strom nach
dieser Kurve, um schließlich auch noch selbsttätig nach der Spannungsgeraden A-B
zu verlaufen. Die einzelnen Abschnitte der Stromspannungskurve A-B, B-C und
C-D können wieder
unabhängig voneinander durch 18, 14 und
26 verstellt werden. Bei generatorischem Arbeiten der Fahrmotoren 3 und q. würde
die Strom-Spannungskennlinie im motorischen Teil liegen. Der Strom J würde dann
versuchen, über die Gerade C-D nach rechts anzuwachsen, und U3 wäre größer als U2.
Infolgedessen polt sieh der Hauptgenerator i um und arbeitet motorisch. Die Kennlinie
hat dann den Verlauf D-E-F-G. Wenn die Hauptmaschine i als Generator arbeitet, muß
zunehmender Strom J eine Abnahme der Spannung U bewirken, z. B. beim Ausfahren der
Stromgeraden D-C, bei motorischem Arbeiten der Hauptmaschine muß dagegen zunehmender
Strom auch eine zunehmende Spannung zur Folge haben. Diese Forderung ist bei richtiger
Schaltung ohne weiteres erfüllt, wie aus Fig. 3 hervorgeht. Wenn bei Generatorbetrieb
die Spannung U1 des Querfeldmaschinenverstärkers bei ausgeglichenem Zustand durch.
die Richtung von U2 bestimmt wird, so bewirkt zunehmender Strom J eine Abnahme der
Spannung Ui und damit auch von U. Bei Motorbetrieb hat sich. die Maschine umgepolt,
während die Richtung von U2 und U3 die gleiche geblieben ist. Ui wird nunmehr durch
die Richtung von U3 bestimmt und nimmt mit zunehmendem Strom J zu. Das gleiche ist
auch für U der Fall. Die Steuerung des Fahrzeuges geschieht nun in der Weise, daß
von Hand die beiden. Umkehrregler betätigt werden, wodurch die Fahrtrichtung des
Fahrzeuges bestimmt wird. Auch voller Rückwärtslauf des einen Motors bei Vorwärtslauf
des anderen ist möglich. Größeres Drehmoment bzw. höhere Geschwindigkeit für beide
Motoren wird durch Betätigung der Regelglieder 20 und 23 erzielt, was mit Fußhebel
erfolgen kann. Während der ganzen Regelung wird der Dieselmotor durch seinen Regler
auf möglichst gleichbleibender Drehzahl genalten, so daß kein Drehzahlverlust wie
bei der Kennliniensteuerung eintritt. Von besonderem Vorteil ist noch, daß die Schaltung
mit normalen. Maschinen und Geräten arbeitet mit Ausnahme des O_uerfeldmaschinenverstärkers,
der jedoch nur für eine kleine Leistung zu bemessen ist. Man erreicht also eine
einfache und Überlastungen des Diesels ausschließende Steuerung unter weitgehender
Verwendung normaler Teile. Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf die gebrachten
Beispiele beschränkt, sie bietet überall Vorteile, wo ein ähnlicher Verlauf der
Strom-Spannungskennlinien verlangt wird.