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Wechselstrom-Kommutatormaschine mit Nebenschluß- oder Fremderregung
Es ist für die elektrische Abbremsung bei Wechselstromfahrzeugen bekannt, die Fahrmotoren
mit Nebenschluß- bzw. Fremderregung zu betreiben. Dabei arbeiten die Anker der Motoren
bei der Nutzbremsung auf das Fahrleitungsnetz zurück.
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Es ist nun wenig günstig, daß die Charakteristik derartiger mit Nebenschlußerregung
bzw. Fremderregung arbeitender Motoren sehr steil verläuft, denn dies hat zur Folge,
daß sich das Drehmoment und der Strom bei konstanter Spannung stark mit der Drehzahl
ändern. Für manche Fälle ist dies erwünscht, beispielsweise bei der Nutzbremsung
auf langen Gefällestrecken. Ist aber mit plötzlichen starken Spannungsschwankungen
des Netzes zu rechnen, auf das die in Nutzbremsschaltung arbeitenden Motoren arbeiten,
oder soll die Nutzbremse zum schnellen Verzögern des Zuges dienen (Verzögerungsbremse),
so ist es im Gegensatz zu dem vorerwähnten Fall erwünscht, daß sich der Strom und
das Drehmoment der generatorisch arbeitenden Motoren nach Möglichkeit nur verhältnismäßig
wenig in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und der Ankerspannung ändern.
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Um diesen Bedingungen zu genügen, ist es bekannt, bei der Abbremsung
von einphasigen Wechselstrom-Reihenschlußmotoren sogenannte Verbundschaltungen zu
verwenden, bei denen der Ankerstromkreis und der Erregerstromkreis, die an dem Fahrzeugtransformator
angeschlossen sind, über einen sowohl vom Ankerstrom wie vom Erregerstrom durchflossenen
Kopplungswiderstand miteinander gekoppelt sind. Weiter sind auch ähnliche Anordnungen
bekanntgeworden, bei denen der Ohmsche Widerstand dur andere
Widerstände
oder Widerstandskombinationen ersetzt ist. Diese Schaltungen genügen im allgemeinen
den an sie gestellten Anforderungen, jedoch ist für die Erzielung einer Kompoundierung
ein besonderes Schaltungselement, derKopplungswiderstand bzw. die Kopplungseinrichtung,
erforderlich, wodurch ein gewisser Raum in Anspruch genommen wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Schaltung
für nebenschluß- oder fremderregte Wechselstrom-Kommutatormaschinen, insbesondere
Einphasenmaschinen, zu schaffen, bei der eine Kompöundierung ohne zusätzlichen Gewichtsaufwand
sowie zusätzliche andere Schaltungselemente wie Widerstände od. dgl. erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die nebenschluß- oder fremderregte
Feldwicklung der Maschine mit einer Anzapfung versehen ist, an die der Ankerstromkreis
angeschlossen wird. Infolgedessen wird das Feld der Maschine abhängig vom Ankerstrom,
da dieser bzw. seine Komponenten die Feldwicklungsteile außer dem Nebenschluß- oder
Fremderregerstrom durchfließen.
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Im folgenden soll die Erfindung näher an Hand eines in Fig. I der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Mit a ist der Anker
eines Einphasen-Reihenschlußmotors, beispielsweise eines Bahnmotors bezeichnet.
f ist die Feldwicklung, die durch die Anzapfung z in die Teile f1 und f2 unterteilt
wird. t ist ein Wechsel stromtransformator, der mit seiner Primärwicklung an ein
Netz angeschlossen ist und dessen Sekundärwicklung beim Bremsbetrieb die von dem
Anker a erzeugte elektrische Energie zugeführt wird. Die Feld-Wicklung f ist nun
über den Kondensator k an eine Teilspannung des Transformators t angeschlossen.
Die eine Bürste des Ankers liegt an dem Ende der Transformatorwicklung t, während
die andere Bürste mit der Anzapfung z der Feldwicklung f verbunden ist. In der Zeichnung
sind die auftretenden Ströme durch Pfeile angedeutet. Infolge des Anschlusses des
Ankerstromkreises an die Feldwicklungsanzapfung z ergibt sich, daß im Erregerstromkreis
zwei Komponenten des Ankerstromes J auftreten; die eine Komponente J1 verläuft durch
den Feldwicklungsteil f1, die zweite Komponente J2 durch den Feldwicklungsteil f2.
i ist der nur in dem Erregerstromkreis auftretende Fremderregerstrom. Die Stromkomponente
J1 wirkt nun, wie durch den Pfeil angedeutet ist, gegenkompoundierend, d. h. der
Fremderregung durch den Strom i entgegen. Bei entsprechender Bemessung des Kondensators
k bzw. der Feldwicklung f2 ergibt sich, daß auch der Strom J2 gegenkompoundierend
wirken kann. Die Induktivität der Wicklung f2 ist dann durch den Kondensator k zum
großen Teil kompensiert, wodurch man unter Berücksichtigung des Ohmschen Widerstandes
von f2 dem Strom J2 eine gegenkompoundierende Phasenlage geben kann. Man hat es
in der Hand, durch die Wahl der Lage der Anzapfung z den Grad der Gegenkompoundierung
und damit die Kennlinie der Maschine weitgehend zu beeinflussen. Im allgemeinen
ist es vorteilhaft, die Feldanzapfung in der Nähe des mit der Transformatorwicklüng
t verbundenen Endes der Feldwicklung anzuordnen. Unter Umständen können auch mehrere
Anzapfungen vorgesehen sein, an die abwechselnd der Motorstromkreis angeschlossen
wird.
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Die richtige Phasenlage des Erregerfeldes kann ohne weiteres durch
die Bemessung des Kondensators herbeigeführt werden. Mit Vorteil kann ein regelbarer
Kondensator Anwendung finden, der selbsttätig in Abhängigkeit von einem Meßgerät
so verstellt wird, daß stets ein günstiger Phasenwinkel zwischen dem Felde der Maschine
und dem Ankerstrom herbeigeführt wird.
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Selbstverständlich kann in Einzelheiten die in Fig. I angegebene Schaltung
abgeändert werden, beispielsweise durch besondere Ausbildung des Erregerstromkreises,
um den verwendeten Kondensator so klein Wie möglich zu halten.
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Fig. 2 zeigt eine entsprechende Schaltung, bei der der Kondensator
k nicht direkt in den Erregerstromkreis, sondern mittelbar in den Erregerstromkreis
über einen Übersetzungstransformator Ü eingeschaltet ist. Man kann infolgedessen
den Kondensator für eine höhere Spannung ausbilden.
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Fig. 3 zeigt eine etwas abgeänderte Schaltung, bei der der Erregerstromkreis
über einen Erregertransformator et gespeist wird. Der zur Einstellung der Phasenlage
des Feldes dienende Kondensator k ist hierbei in den an eine höhere Spannung angeschlossenen
Primärstromkreis des Transformators et eingeschaltet. Der eigentliche, die Feldwicklung
aufweisende Erregerstromkreis weist lediglich noch die Sekundärwicklung des Erregertransformators
et auf. Die Wirkungsweise der in den Fig. 2 und 3 angegebenen Schaltungen unterscheidet
sich von derjenigen der Schaltung nach Fig. I überhaupt nicht.
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Bei neuzeitlichen Motoren sind die Erregerwicklungen der einzelnen
Pole oft in Reihe miteinander geschaltet, so daß jeder Pol nur eine geringe Anzahl
von Windungen besitzt. Beispielsweise können drei Windungen pro Pol vorkommen. In
diesem Falle ist es praktisch nicht möglich, eine Anzapfung an der Feldwicklung
in solcher Weise anzuordnen, daß sie die Windungen der Erregerwicklung in einem
bestimmten Verhältnis, z. B. I : Io, teilt. Derartige hohe Verhältniswerte müssen
aber häufig eingehalten werden, wenn eine Verbundwirkung in dem gewünschten Maße
eintreten soll. In anderen Fällen bereitet die Anwendung der in Fig. I dargestellten
Schaltung deswegen Schwierigkeiten, weil es nicht mehr möglich ist, an den bereits
vorhandenen Motoren Feldanzapfungen in der erforderlichen Weise anzubringen. Man
müßte daher unter Umständen den ganzen Ständer der Maschine vollkommen neu wickeln.
Gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich in diesem Fälle eine
vorteilhafte Abänderung der angegebenen Anordnung dadurch, daß die für den Anschluß
des Ankerstromkreises vorgesehene Anzapfung statt an der Feldwicklung an einem Stromteiler
angeordnet ist, der der Feldwicklung der Maschine parallel geschaltet ist.
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Fig. ¢ gibt die Schaltung für diesen Fall wieder. a ist wieder der
Anker eines einphasigen Bahnmotors und f die zugehörige Feldwicklung (die beispielsweise
beim Fahrbetrieb mit dem Anker in Reihe geschaltet sein kann), t ist die Sekundärwicklung
des primärseitig an das Netz angeschlossenen Fahrzeugtransformators. Die Feldwicklung
f ist über den Kondensator
k an die Teilspannung Ee der Transformatorwicklung
t angeschlossen. Parallel zu der Feldwicklung f liegt der Stromleiter t1. Der Ankerstromkreis
ist an die Anzapfung y des Stromteilers t1 angeschlossen. Indem Stromteiler teilt
sich der Ankerstrom in zwei einander praktisch phasengleiche Teile J1 und J2, und
zwar gilt für die Ströme J1 und J2 folgende Beziehung: J1 : J2 = W2:W. Hierbei bedeuten
W1 und W2 die Windungszahlen der beiden Zweige des Stromteilerwiderstandes. Der
Stromteiler wird vorteilhafterweise so bemessen, daß er nur einen äußerst geringen
Magnetisierungsstrom aufnimmt. Es ist ohne weiteres einzusehen, daß die Schaltung
nach Fig. 4 praktisch genau so wirkt wie die Schaltung nach Fig. I.
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Es ist rechnerisch leicht nachzuweisen, daß der Stromteiler nur eine
verhältnismäßig geringe Größe erhält. Ist E die Spannung an der Erregerwicklung
und J der Strom, für den sie bemessen ist, so ist E ₧ J die scheinbare Erregerleistung.
Der eine Wicklungsteil des Stromteilers ist dann für die Spannung
und den Strom
zu bemessen. Die andere Spule ist dagegen für die Spannung und
W1 + w2 den Strom
zu bemessen. Die Leistung jeder der beiden Spulen beträgt also
Aus diesen Betrachtungen folgt, daß für die am meisten benötigten Verhältnisse der
Windungszahlen von I : 8 oder I : Io die Stromteiler sehr klein ausfallen, etwa
so groß wie ein Erregertransformator, der für etwa Io % der Erregerleistung bemessen
ist.
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Bei der in Fig. 4 angegebenen Schaltung mit einem Stromteiler läßt
es sich ohne Schwierigkeiten durchführen, daß der Stromteiler zwei oder mehrere
Anzapfungen erhält, an die der Ankerstromkreis wahlweise angeschlossen werden kann.
Man kann auf diesem Wege eine Regelung der Kompoundierungswirkung erzielen, beispielsweise
derart, daß in dem oberen Geschwindigkeitsbereich eine stärkere Kompoundierung vorhanden
ist, während in dem unteren Geschwindigkeitsbereich die Wirkung der Kompoundierung
herabgesetzt wird. Im letzteren Falle wird eine Mehrzahl von Regelstufen vorgesehen,
um im Bereiche kleinerer Geschwindigkeiten noch größere Bremskräfte erzielen zu
können. Auf dem angegebenen Wege kann eine verschiedene Kompoundierungswirkung auch
herbeigeführt werden, je nachdem eine Verzögerung oder Gefällebremsung vorgenommen
werden soll.
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Bei den im vorstehenden behandelten Ausführungsbeispielen war stets
davon ausgegangen, daß die Erfindung in einer Nutzbremsschaltung Anwendung finden
soll. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, die Erfindung bei einer Widerstandsbremsschaltung
zu verwenden.
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Fig. 5 und 6 zeigen schematisch die sich in diesem Falle ergebende
Schaltung. Der Motoranker a ist bei den letztgenannten Schaltungen statt an den
Transformator t an einen Widerstand W angeschlossen. Für die Regelung der Bremsung
kann die Erregerspannung durch Änderung des Anschlusses der Erregerwicklungen an
dem Transformator t geregelt werden. Fig. 7 zeigt die hierbei erzielbaren Bremskennlinien,
wobei v die Bremsgeschwindigkeit und B die Bremskraft bedeuten.
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Die Anwendung der Erfindung ist auch nicht auf den Bremsbetrieb beschränkt,
vielmehr kann die Erfindung auch bei Fahrbetrieb Anwendung finden.