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Gleichstrom-Umformersatz Für elektrische, aus einem Gleichstromnetz
konstanter Spannung gespeiste Gleichstromantriebe, die oft angelassen und stillgesetzt
werden müssen, werden seit langem Umformer verwendet, die eine konstante Netzspannung
in eine veränderliche Gleichspannung für die Antriebsmotoren umformen. Am bekanntesten
ist der Leonard-Umformer. Zur Einsparung an Gewicht der beiden Maschinen dieses
Umformersatzes ist seit langem ein als Leonard-Sparschaltung bezeichneter Umformersatz
bekannt, dessen grundsätzliche Schaltung in Fig. I wiedergegeben ist. Zwei mechanisch
gekuppelte Maschinen I und 2 liegen elektrisch in Reihe an einem Netz konstanter
Spannung. Der zu regelnde Motor 3 liegt zwischen dem Verbindungspunkt beider Maschinen
I und 2 und einem Pol des Netzes. Die Weiterentwicklung dieses Gedankens ist eine
Schaltung, die della Riccia für Gleichstromfahrzeuge angegeben hat, welche mit mindestens
zwei Motoren ausgerüstet sind. Diese bringt gegenüber der Leonard-Sparschaltung
eine weitere Gewichtsverminderung. Die Fig. 2 und 3 zeigen diese grundsätzliche
Schaltung, welche die Anwendung der sonst üblichen Serienparallelschaltung auf die
Leonard-Sparschaltung darstellt. Der freilaufende Umformersatz besteht aus vier
Ankern, 4, 5, 6 und 7, die mechanisch gekuppelt sind und elektrisch in Reihenschaltung
an der Netzspannung Un (Fahrdrahtspannung) liegen. Jeder der vier Anker ist für
halbe Netzspannung bemessen. Die beiden Fahrmotoren 8 und g, die auch Gruppen von
Fahrmotoren sein können, sind zu Beginn der Anfahrt derart geschaltet, daß 8 an
der Spannung von
Anker 4 und 9 an der Spannung von Anker 7 liegt.
Die Felder der Maschinenpaare 4, 7 und 5,6 werden gemeinsam geregelt derart, daß
zu Beginn der Anfahrt die volle Netzspannung am Maschinenpaar 5, 6 liegt, die Maschinen
4, 7 dagegen spannungslos sind. Durch gleichzeitiges Aberregen des Maschinenpaares
5, 6 und Auferregen des Maschinenpaares 4, 7 wird erreicht, daß die Spannung an
jedem der Fahrmotoren bis zur halben Netzspannung steigt und das Maschinenpaar 5,
6 spannungslos wird. Dieser Betriebszustand entspricht der Serienstellung der Fahrmotoren
bei der halben Fahrgeschwindigkeit. Nun werden die Fahrmotorenanschlüsse so umgeschaltet,
wie Fig. 3 zeigt, derart, daß Fahrmotor 8 an der Summe der Spannüngen der Umformeranker
4, 5 und 6 und Fahrmotor 9 an der Summe der Spannungen der Anker 5, 6 und 7 liegt;
der eben beschriebene Regelvorgang bei der Erregung der Umformeranker 5 und 6 wird
rückwärts dürchlaufen. Hierdurch steigt die Spannung an den Fahrmotoren von 5o auf
Ioo% der Netzspannung. Die Anfahrt ist beendet. Dieser Betriebszustand entspricht
der Parallelschaltung der Fahrmotoren. Diese können nun direkt an das Netz gelegt
werden. Diese Regelung des Umformersatzes kann durch zwei gemeinsam angetriebene
Feldregler derart erfolgen, daß seine Drehzahl annähernd konstant bleibt.
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Die Schaltung nach della Riccia hat den Vorteil, daß die gesamte Maschinenleistung
des Umformers für ein bestimmtes Gleichstromfahrzeug halb so groß wie die eines
Umformers nach der Leonard-Sparschaltung ist.
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Bei Verminderung der Geschwindigkeit der Motoren 8, 9 bzw. bei Nutzbremsung
des Fahrzeuges vollzieht sich der geschilderte Regelvorgang in umgekehrter Reihenfolge
bis zum Stillstand des Fahrzeuges.
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Bei den erwähnten Anordnungen ist es erforderlich, daß die Feldregler
entweder von Hand oder selbsttätig motorisch verstellt werden. Die Betätigung von
Hand erfordert aber eine verhältnismäßig hohe Geschicklichkeit des Fahrers; die
automatische Feldregelung bedingt dagegen die Verwendung von Feldregelschaltwerken,
die verhältnismäßig verwickelt sind und einer ständigen Überwachung und Unterhaltung
bedürfen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wesentliche Vereinfachung
und Verbesserung der erwähnten Leonard-Sparschaltung und der Spannungsteilerschaltung
nach della, Riccia zu erzielen. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß eine derartige
Selbstregelung der Umformermaschinen angewandt, daß diese als Konstantstrommaschinen
arbeiten. Die Selbstregelung wird durch eine entsprechende Erregerschaltung ermöglicht.
Hierdurch wird der Vorteil erreicht, daß eine Regelung mittels Einzelfeldreglers
entfallen kann.
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Der Erfindungsgedanke kann in der Weise verwirklicht werden, daß bei
Umformern mit Leonard-Sparschaltung bzw. della-Riccia-Schaltung jeweils die Magnetpole
der Umformermaschinen so mit zwei oder mehreren Feldwicklungen versehen sind, von
denen die eine den weitaus größeren Teil der Erregerdurchflutung liefernde in Selbsterregung
vom eigenen Anker, die zweite bzw. weiteren kleineren Wicklungen von der Spannung
der anderen Anker des Umformersatzes gespeist werden. Die neben der Selbsterregerwicklung
vorhandenen, von den Ankern der anderen Maschinen gespeisten, der Steuerung dienenden
Erregerwicklungen werden so geschaltet, daß der Induktionsfluß bei Gene ratorbetrieb
der Maschine verstärkt und bei Motorbetrieb der Maschine geschwächt wird.
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Bei della-Riccia-Umformern kann noch eine weitere Verbesserung und
Vervollkommnung erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, daß bei dem Maschinensatz
von beispielsweise vier Teilmaschinen durch Vereinigung der mittleren Maschinen
zu einer einzigen Einkommutatormaschine doppelter Spannung und doppelter Leistung
eine wesentliche Gewichtsverminderung und Vereinfachung der Schaltung herbeigeführt
wird. Dies ist von besonderer Bedeutung im Zusammenhang mit der Verwendung von Steuerwicklungen,
wie sie für die selbsttätige Konstantstromregelung benötigt werden. Darüber hinaus
hat dieser Vorschlag aber auch für die normale della-Riccia-Schaltung große Bedeutung,
da er eine wesentlich günstigere und leichtere Bemessung des Umformersatzes sowie
einfachere und betriebssicherere Ausbildung zur Folge hat.
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Im folgenden soll die Erfindung näher an Hand der Fig. 8, 9 und Io
sowie der dazugehörigen Diagramme, gemäß Fig. 6 und 7, erläutert werden. Fig. 9
bezieht sich auf den einfacheren Fall der Leonard-Sparschaltung. Die beiden Maschinen
des Leonard-Umformers I und 2 weisen je eine Nebenschlußwicklung I8 bzw. I9 auf.
Außerdem hat der Generator I eine Wicklung 2o, die an der Spannung des Umformerankers
2 liegt, während der Umformeranker 2 eine weitere Wicklung 2I aufweist, die an der
Spannung des Umformerankers I liegt. Für die Wirkungsweise dieser Schaltung gelten
die folgenden Überlegungen: Die Steuererregerwicklung ermöglicht es, bei jeder der
Umformermaschinen den resultierenden Induktionsfluß 0r gegenüber dem der Klemmenspannung
U proportionalen Fluß OU um den zusätzlichen Fluß 4s zu erhöhen oder zu vermindern.
Demnach gilt folgende Gleichung: 0r = OU ± 0s. Diesen drei Flüssen entsprechen drei
ihnen proportionale Spannungen, und zwar entspricht dr die EMK E, dem Fluß cU die
Klemmenspannung U und dem Fluß 0s eine Spannung dU. Dementsprechend ist E= U±dU.
Hierbei bedeutet das positive (+) Vorzeichen Generatorbetrieb und das negative (-)
Vorzeichen Motorbetrieb. Das Glied JU stellt aber nichts anderes als den ohmschen
Spannungsabfall r - I der Ankerwicklung dar. Infolgedessen ergibt' sich,
daß der Ankerstrom bei -jeder Maschine sich entsprechend denn Steüerfluß 0s einstellen
wird. Es ergeben sich damit die folgenden Beziehungen: ,du-o,; d U = r #
I und I - 0" d. h. bei magnetisch ungesättigter Maschine ist der Ankerstrom
proportional der Spannung an der Steuererregerwicklung.
Bei der
Schaltung gemäß Fig.9 liegen nun die beiden Steuererregerwicklungen 2o und 2I an
den Spannungen U2 bzw. U1, deren Summe gleich der konstanten Fahrdrahtspannung U
ist. Wird aber die Summe der Spannungen an den beiden Steuererregerwicklungen 2o
und 21 gemäß Fig. 9 konstant gehalten, so sind die Summe der Steuerflüsse und damit
nach den obigen Ausführungen auch die Summe der Ankerströme I1 und I2, d. h. der
Abgabestrom If des Umformers konstant.
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Das Diagramm der Fig. 6 gibt den Verlauf der Flüsse bzw. Spannungen
in Abhängigkeit von der Größe der an den Ankern I und 2 liegenden Spannungen U1
und U2, deren Summe gleich der Netzspannung Un ist, wieder. Die durch die Wicklungen
I8 und I9 sowie die Steuerwicklungen 2o und 2I hervorgerufenen Flüsse O18 bis 021
sind in dem Diagramm eingetragen. Die Änderungen ihrer Werte, abhängig von den Größen
U1 und U2, geht aus den gegenläufigen verstärkt bzw. einfach eingetragenen Linien
hervor. Da, wie oben angedeutet, den Flüssen bestimmte Spannungen entsprechen, bezeichnen
- da die Drehzahl des Umformers angenähert konstant ist - die geneigt eingetragenen
Geraden gleichzeitig auch Spannungen. Es entspricht die ansteigende verstärkt ausgezogene
Gerade der EMK1 der Maschine I nach Fig. 9, die darunterliegende dünne ausgezogene
ansteigende Gerade der Klemmenspannung U1. Der Unterschied der Spannungen entspricht
dem ohmschen Spannungsabfall bzw. der durch den Steuerfluß hervorgerufenen Spannung
AU1. Ebenso bedeutet die stark ausgezogene fallende Gerade die EMK2 der Maschine
2, die darüberliegende dünne abfallende Gerade die Klemmenspannung der Maschine
2. Die Differenz der beiden Spannungen entspricht wiederum dem ohmschen Spannungsabfall
bzw. der durch die Steuerwicklungen hervorgerufenen Spannung dU2.
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Man kann die Konstantstrombedingungen auch dadurch erfüllen, daß man
die Steuererregerwicklungen von einer festen Spannung aus speist. In diesem Falle
müssen dann aber die Widerstände der Selbsterregerstromkreise geändert werden. Eine
entsprechende Schaltung zeigt Fig. Io für die Leonard-Sparschaltung. Die Änderung
der Selbsterregerstromkreise hat bei dieser Schaltung zur Folge, daß die Wicklung
αI in α2 und ßI in ß2 übergehen (vgl. dazu die Diagramme der Fi.7),
d. h. bezogen auf die gleiche Klemmenspannung U wird der Selbsterregerstrom der
Maschine I um einen bestimmten Betrag größer als der der Maschine 2.
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Fig. 8 der Zeichnung gibt noch die analoge Anwendung des Erfindungsgedankens
für einen della-Riccia-Maschinensätz wieder, bei Bern erfindungsgemäß gegenüber
den Schaltungen nach Fig. 2 und 3, wie die Fig. 4 und 5 erkennen lassen, die Umformermaschinen
5 und 6 durch eine einzige Einkommutatormaschine der doppelten Leistung, wie sie
für sich die Maschinen 5 bzw. 6 aufweisen, ersetzt ist. In der Zeichnung der Fig.
8 bedeuten 8 und 9 zwei Fahrmotoren, die Maschinen 4 und 7 die beiden Außenmaschinen
des Umformersatzes, die je für die halbe Netzspannung bemessen sind, sowie Io die
innenliegende Maschine des Umformersatzes, die für die volle Fahrdrahtspannung ausgelegt
ist. II, I2 und I3 sind die Nebenschlüßerregerwicklungen der Maschinen Io, 4 und
7; I5 und I4 die Steuerwicklungen der Umformermaschinen, wobei für die beiden Maschinen
4 und 7 nur eine Steuerwicklung wegen des gemeinsamen Ständers der beiden Maschinenanker
4 und 7 vorgesehen zu werden braucht.
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Hervorzuheben ist noch, daß mit Hilfe der Widerstände I7 in Fig. 8,
22 in Fig. 9 sowie 23 in Fig. Io der Strom der Steuerwicklungen geregelt werden
kann, um damit den Belastungsstrom einstellen zu können.
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Die bisherigen Ausführungen gelten nur für magnetisch ungesättigte
Maschinen. Um den Einfluß der Krümmung der Magnetisierungskennlinie auf die Konstanz
des Fahrmotorenstromes und der Umformerdrehzahl zu beseitigen, werden auf die Pole
der Maschinen weitere Wicklungen 24 und 25 in Fig. II aufgebracht, die vom Strom
der zugehörigen Anker durchflossen werden, also Kompoundwicklung sind. Ihre Durchflutungen
müssen, wie man nachweisen kann, den Durchflutungen der Steuererregerwicklungen
2o bzw. 2I entgegengesetzt werden, die dann ihrerseits um den Durchflutungsbetrag
der Kompoundwicklung zu vergrößern sind. Der generatorische Umformerteil entspricht
damit einer Krämerschen Konstantstrommaschine, so daß näheres Eingehen auf die Wirkungsweise
sich erübrigt.
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Ein wesentlich wirksameres Mittel zur Ausgleichung der Abweichungen
des entnommenen Stromes IF vom angestrebten konstanten Wert zeigt die Anordnung
von Fig. I2. Hier sind die dritten Erregerspulen 26,27 vom konstant zu haltenden
Strom IF selbst durchflossen. Ihre Magnetisierungsrichtung ist ebenfalls derjenigen
der Steuererregungswicklung entgegenzusetzen. Letztere hat also zwei Aufgaben zu
erfüllen. Erstens muß sie wie beim ungesättigten Umformer den Spannungsabfall ausgleichen,
und zweitens muß sie der Durchflutung der Reihenwicklung 26, 27 das Gleichgewicht
halten. Wie die punktweise Berechnung zeigt, wird durch diese Maßnahme der Abgabestrom
des Umformers auch bei magnetischer Sättigung der Hauptmaschine nahezu konstant
gehalten. In qualitativer Betrachtung gilt folgendes Stimmt der Strom IF nicht mit
dem durch die Steuererregung eingestellten Wert überein, ist er beispielsweise zu
groß, so wird die Gesamterregung beim Generator I geschwächt, beim Motor 2 gestärkt,
und die Folge davon ist ein Absinken des Belastungsstromes IF in Richtung auf den
eingestellten Wert.
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Die Annäherung des Belastungsstromes IF an den angestrebten konstanten
Wert wird um so größer sein, je mehr Reihenwicklungen 26, 27 auf- @ gebracht wenden.
Dann sind aber auch um so mehr Steuererregungswicklungen2o, 21 erforderlich, d.
h. um so größer wird das Erregerkupfergewicht üid
der notwendige
Wickelraum. Es wird also um so mehr Umformergewicht erforderlich, je geringer die
noch zugelassenen Abweichungen des Stromes IF vom Sollwert sind.
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Dieses Mehrgewicht kann verringert werden wenn man die Subtraktion
der Stromwindungen 26, 27 von den Steuererregungswindungen 2o, 2I nicht auf den
Polen der Maschine I und 2, sondern auf den Polen einer besonderen kleinen Erregermaschine
vornimmt. Es ergibt sich dann die Schaltung der Fig. I3. Die verhältnismäßig kleinen
Spulen 3I 32 der Zusatzerregung auf den Polen der Umformermaschinen I und 2 werden
von einer Erregermaschine 28 gespeist, die von der Welle des Umformersatzes angetrieben
wird, und deren Pole zwei Wicklungen tragen. Eine Wicklung 3o mit vielen Windungen
dünnen Drahtes, die vom Steuererregerstrom if gespeist wird und eine Hochstromwicklung
29, mit wenigen Windungen großen Querschnittes, die vom Belastungsstrom If durchflossen
wird. Beide Erregerdurchflutungen wirken einander entgegen. Da der Strom iz in den
Zusatzspulen 3I, 32 der Maschinen I und 2 nur einen Bruchteil der Gesamtdurchflutung
zu liefern hat, wird die Erregermaschine 28 sehr klein, trotzdem sie nur im ungesättigten
Teil ihrer Magnetisierungslinie betrieben wird. Der Strom if in der Spule 3o ist,
wie erwähnt, der Steuererregerstrom. Er beträgt als Erregerstrom der Erregermaschine
nur einen kleinen Bruchteil des Stromes iz. Es ergibt sich somit eine sehr große
Übersetzung zwischen dem Steuererregerstrom if und dem Belastungsstrom If, die beide
einander annähernd proportional sind. Der Umformersatz kann also mit außerordentlich
kleinen Strömen gesteuert werden.
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Eine zweite Entwicklung der Anordnung mit Erregermaschine ist in Fig.
I4 gezeigt. Die Schaltung hat den besonderen Vorteil, daß als Maschinen I und 2
normale Nebenschlußmaschinen verwendet werden können. Der Anker 28 der Erregermaschine,
die auf ihren Polen wieder die beiden Wicklungen 29 und 3o trägt, ist zwischen den
Verbindungspunkt der beiden in Reihe liegenden Anker I und 2 und den Verbindungspunkt
der ebenfalls in Reihe liegenden Nebenschlußfeldwicklungen I8, I9 gelegt. Die Abweichung
der gesamten Erregerdurchflutung der Umformermaschinen I und 2 von der reinen Selbsterregung
wird hierbei nicht durch zweite Erregerwicklungen erreicht, sondern durch entsprechende
Veränderung der Erregerspannungen gegenüber der reinen Selbsterregung. Nach der
Schaltung wird nämlich die Spannung der Maschine 28 im Betrag von wenigen Prozenten
der Netzspannung beim Generator zur Klemmenspannung addiert und beim Motor subtrahiert.
Wenn man das Mehrgewicht; das sich durch die Reihenwicklung auf den Polen der Maschinen
I und 2 entsprechend der Ausführung von Fig. II oder I2 oder durch die Erregermaschine
entsprechend der Ausführung von Fig. I3 oder I4 ergibt, sparen will, so kann man
die von der Eisensättigung herrührenden Ungleichmäßigkeiten durch einen normalen
Feldregler ausgleichen lassen. In Fig. I5 ist das entsprechende Schaltbild gezeichnet,
wobei angenommen wurde, daß ein Kohledruckregler verwendet wird, dessen Kohlensäule
34 zusammengedrückt wird, wenn die Wirkung der Magnetspule 35 überwiegt; und die
entlastet wird, wenn die Wirkung der Spule 36 überwiegt, die vom Strom If durchflossen
wird. Die Spule 35 wird von der Netzspannung oder von einer besonderen Stromquelle
über einen regelbaren Widerstand 37 erregt, mit dem der Vergleichstrom if und damit
der Sollwert des Belastungsstromes eingestellt werden kann. An Stelle des gezeichneten
Kohledruckreglers kann auch jeder beliebige Regler verwendet werden.