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Elektrisches Mehrphasen-Antriebssystem für Fahrzeuge mit eigener Kraftquelle
Bei Schienenfahrzeugen mit einer Verbrennungskraftmaschine, also beispielsweise
einem Dieselmotor als Kraftquelle, ist man bestrebt, den Dieselmotor auf einer eingestellten
Fahrstufe unabhängig von Fahrgeschwindigkeit und Fahrwiderstand mit konstanter Drehzahl
und Leistung laufen zu lassen. Zur Regulierung der Leistung werden verschiedene
Drehzahlstufen eingestellt. Auf diese Weise wird eine-optimale und wirtschaftliche
Ausnutzung des Dieselmotors erreicht.
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Die Kraftübertragungseinrichtung hat also die Aufgabe, als Drehmom#entwandler
zu wirken, d. h., sie sorgt dafür, daß der mit konstanter Drehzahl laufende
Dieselmotor unabhängig von der Drehzahl und dem Drehmoment der Fajhrmotoren mit
konstantem Drehmoment belastet wird.
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Bisher wird fast ausschließlich ein Gleichstromsystem mit Leonardschaltung
zur elektrischen Kraftübertragung angewandt. Die gestellte Aufgabe kann in diesem
Fall durch eine geeignete Stromspannungskennlinie des Generators in relativ einfacher
Weise erfüllt werden. Der Nachteil des Gleichstromsystems besteht in dem hohen Gewicht
und der Anfälligkeit der Kommuta,to,r,en beim Leonardgenerator und bei den Fahrmo-toren,
ferner darin, daß infolge der hyperbelartigen Stromspannungskennlinie der Generator
ein gegenüber einer normal ausgelegten Maschine wesentlich größeres Gewicht erhält.
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Ferner wurde vorgeschlagen, an Stelle des Gleichstromsysten-is ein
Mehrphasensystern mit Frequenzregelung zur Kraftäbertragung heranzuziehen und als
Fahrmotoren die leichten und robusten Asynchroninotoren mit Käfigläufern zu verwenden.
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Da die Primärmaschine des Stromerzeugers mit konstanter Drehzahl und
Leistung arbeiten soll, kann die Frequenz für die Fahrmotoren nur durch Änderung
der Drehzahl des von der Primärmasaine angetriebenen Synchrongenerators über eine
Flüssigkeitskupplung geregelt werden. Damit kommt aber ein weiteres raum- und gewichtsvermehrendes
Glied zur Kraftübertragungsanlage hinzu.
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Außerdem ist eine Kraftübertragungsanlage für elektrisch angetriebene
Züge mit einer wärmetechnischen Stromerzeugungsanlage, in welcher der Wechsel- bzw.
Drehstrom für die Fahrmotoren erzeugt wird, be-Icannt. Zur Stromerzeugung dienen
zwei oder mehr in Kaskade schaltbare Asynchrongeneratoren mit verschiedener Polzahl,
die einzeln oder in verschiedener Kaskadenschaltung Ströme verschiedener Frequenzen
abgeben. Die Frequenzen sind bei dieser Anlage nur in Stufen von beispielsweise
20, 40, 60 und 100, Hz einstellbar. Da aber auch dazwischenliegende
Frequenzen benötigt werden, ist außer der Frequenzänderung durch Umschaltung der
Maschinen eine Einrichtung zur zusätzlichen Frequenzregelung vorgesehen, welche
eine stetige Frequenzregelung der den Fahrmotüren zugeführten Ströme über einen
weiten Frequenzbereich gestattet. Diese zusätzliche Frequenzregelung kann beispielsweise
eine Schlupfregelung mit Vorschaltwiderständen im Sekundärkreis sein, die allerdings
einen erheblichen Leistungsverlust verursacht. Außerdem ist eine Zusatzregelung
durch Drehzahländerung der Wärmekraftmasichine möglich, die aber dem Grundsatz widerspricht,
die Wäxmemas#chine soweit wie irgend möglich mit gleichbleibender Drehzahl zu betreiben.
Schließlich können als weitere Mittel für die Zusatzregelung verschiedene Erregungen
überlagert werden, und es kann auch die Anordnung so getroffen wexden, daß de-in
ganzen Maschinensatz ein Hauptstromcharakter gegeben wird- Alle diese Vorschläge
für die unbedingt erforderliche Zusatzregelung komplizieren aber die Anordnung erheblich.
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Die Erfindung betrifft ein ' elektrisches Mehrphasen-Antriebssystem
für Fahrzeuge mit eigener Kraftquelle, durch die zwei fremderregteWechselstrom-Einphas,engeneratoren
in Tandembauart mit gdeichbleibender Drehzahl angetrieben werden, wobei die beiden
Generatoren tun 90' el. gegeneinander in der Phase verschobene Spannungen
erzeugen und Drehfeldfalirmotoren mit zweiphasiger Wicklung speisen. Bei einem solchen
bekannten Antriebssystem ist allerdings eine weitgehende Drehzahlregelung der Antriebsmotoren
nicht möglich. Eine vorteilhafte Lösung ergibt sich gemäß der Erfindung bei einem
solchen Antriebssystem dadurch, daß Einphasen-Kommutatorgeneratoren verwendet werden,
die von einer drehzahlgeregelten Synchronmaschine erregt werden und eine konstante
Spannung mit stufenlos veränderlicher Erequenz zur Speisung der Fahrmotoren liefern.
Als Fahrmotoren werden somit die einfachen Asynchionmotoren mit Kurzschlußanker
verwendet, so daß damit die Anwendung von Kommutatormaschinen auf die Generatorseite
beschränkt
bleibt und eine Gewichtseinsparung erzielt wird. Da
Kommutatormaschinen großer Leistung und hoher Frequenz vielpolig ausgeführt werden,
würde es schwierig sein, die bei Drehstrom-Kommutatormaschinen erforderliche Zahl
der Bürsten und Wendepole auszuführen. Daher werden zwei fremderregte Wechselstrom-Einphasen-Kommutatorgeneratoren,
vorzugsweise in Tandembauart mit großer Polzahl verwendet, die von zwei Dieselmotoren
angetrieben werden. Durch geeignete Schaltung wird ein verkettetes Zweiphasensystem
gebildet, und es werden zweiphasige Asynchronmotoren mit variabler Frequenz, aber
konstanter Spannung gespeist. Durch Konstanthaltung der Spannu-ng istes möglich,
die Generatoren so klein wie möglieh auszulegen. Zur Erregung der Einphasengeneratoren
dient eine Synchronmaschine mit zwei räumlich um 90' el. gegeneinander versetzten
Wechselstromwicklungen. Durch Veränderung der Drehzahl dieses Synzhrongenera,tors
können Frequenzänderungen irn Bereich von 30 bis 100 Hz erzielt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch
dargestellt. Die Anordnung auf dem Trieb-fahrzeug besteht aus zwei, Dieselmo,toren
1 und l', deren jeder einen freinderregten Generator 2 und 2' großer
Polzahl antreibt. Die Generatoren sind als Kommutatormaschinen ausgebildet und so
geschaltet, daß sie ein verkettetes Zweiphasensystern 'bilden. Die Generatoren besitzen
«#Vendefeldwicklungen 20 und 21 bzw. 20' und 21' sowie Erregerwicklungen 22 bzw.
22'. Außerdem sind Kompensationswicklungen 23 bzw. 23' vorhanden.
Es ist angenommen, daß mehrere Fahrmotoren 3 vorhanden sind, die von den
beiden Generatoren 2 und 2' gespeist werden. Bei den Fahrmotoren handelt es sich
um zweilyhasige Asynchronniotoren mit Kurzschlußanker. Zu der Anordnung gehören
Umschalter 4 bzw. 4' mit den 'Polen a, b und c. Bei Betrieb sind die
Pole b und c ge - schlossen, der Pol a geöffnet. Die Anordnung enthält
ferner einen Synchrongenerator 5 mit zwei Wechselstromwicklungen, die räumlich
um 90' el. gegeneinander versetzt sind. Dieser Generator speist die Erregerwicklungen
22 und 22' der Hauptgeneratoren 2 und 2. Ferner ist ein Synchroligenerator
6 vorhanden, .dessen Spannung zur Kompensation der bei den Wechselstrom
- Kommutatormaschinen auftretenden EMK der Transformation dient. Der Synchrongenerator
6
ist ebenfalls zweiphasig und speist die Wendefeldwicklungen 21 und 21'.
Die beiden Synchrongeneratoren 5 und 6 werden von einem gemeinsamen
Motor 7
angetrieben, der beispielsweise ein Gleichstro-mmotor mit einer Erregerwicklung
2' sein kann. Die Erregerwicklung 7' wird von einer Gleichstromquelle
kon-.stanter Spannung gespeist. Der Ankerwicklung des Motors 7 wird eine
veränderliche Spannung zugeführt, wie im folgenden noch beschrieben wird.
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Die Schaltung enthält noch einen Schalter 8 mit einem Überbrückungswiderstand
9. Außerdem sind Entkopplungstransforma-toren 10 und lW in den Stromkreisen
der Wendefeldwicklungen 20 und 20' bzw. 2:1 und 21' vorhanden. Im Ankerkreis der
Hauptgenerab#ren liegen Stromwandler 11 und 11'. Ein magnetischer
Verstärker 12 liefert die veränderliche Ankerspannung für den Antriebsmotor
7 des Erre,-erumfo,.rmers. Ein Fahrschalter 13 wirkt auf den Sollwertgeber
14 für den Magnetverstärker und gleichzeitig auf die Füllungsversteller
15 und 15' der beiden Dieselmotoren.
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Die Einphasengeneratoren 2 und 2' besitzen, wie schon erwähnt, je
zwei Wendefeldwicklungen. Davon sind die Wicklungen 20 und 20' die normalen, vom
Ankerstroni durchflossenen Wicklungen zur Kompensation der Stromwendespannung. Die
anderen Feldwicklungen 21 und 21' dienen zur Kompensation der transformatorischen
EMK und werden vom Synchrongenerator 6 fremdgespeist. Die Stromkreise der
Wendefeldwicklungen 21 und 21' werden über die Entkopplungstransformatoren
10 und 10' so geführt, daß sich die durch die Wendefeldwieldungen
verursachte Kopplung wieder aufhebt und eine gegenseitige Beeinflussung der beiden
Stromkreise vermieden wird.
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Die Fahrmotoren 3 werden im Dauerbetrieb, d. h. bei
geschlossenen Schaltern 4 und 4# mit konstantem Strom gespeist, d. h., bei
konstanter übertragener Leistung bleibt--die Spannung der Generatoren 2 und 2' auch
konstant, und es wird eine günstige Baugröße dieser Generatoren erreicht. Um diesen
Betriebzustand zu erzielen, ist es erforderlich, daß der Erregerstrom durch die
Erregerwicklungen 22 und 22' konstant, der Strom für die fremderregten Wendefeldwicklungen
21 und 21' dagegen bei vollständiger Kompensation der transformatorischen EMK der
Frequenz porportional. ist. Demnach bleibt die Erregung des Synchrongenerators
5 konstant, und sie ist an die nicht bezeichnete Gleichstro#mquelle angeschlossen.
Die Erregung des Synchrongenerators 6 dagegen, der die Wendefeldwicklungen
der Hauptgeneratoren speist, muß sich dagegen proportional mit der Frequenz ändern.
Dies era h aus den Blindwiderständen der Erreger- und gibt sic Wendefeldwicklungen
der Hauptgeneratoren 2 und 2', die der Frequenz proportional sind. Beide
Synchrongenerato,ren 5 und 6 werden von dem fremderregten Gleichstrommotoir
7 mit einer Drehzahl angetrieben, der die Frequenz proportional ist.
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über einen einfachen Regelkreis, wird der Strom der Fahrmotoren
3, und damit die Generatoren- und Dieselleistung, konstant gehalten. Der
Strom der Hauptgeneratoren,2 und 2' wird über Stromwandler 11 und
11' auf die Steuerwicklungen des nur Schematisc,h angedeutetenMagnetverstärkers12
gegeben. Dieser speist mit seiner - Arbeitswicklung den Anker des Antriebsmotors
7 des Erregerumformers, dessen Erregerwicklung 7' an konstanter Spannung
liegt. Die Drehzahl des Erregerumformers, und damit die Frequenz, ist dann proportional
der Ausgangsspannung des Magnetverstärkers 12. Die Ausgangsspannung des Magnetverstärkers
12 dient außerdem zur Erregung des Synchrongenerators 6, die, wie oben dargelegt,
der Frequenz proportional anwachsen müß.
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Weicht der Fahrmotorstrom von seinem Sollwert ab, so wird die Frequenz
über die Stromwandler 11
und II', den Magnetverstärker 12, den Antriebsrnotor
7 und den Synchrongenerator 5 derart geregelt, daß die Drehzahl der
Fahrmotoren 3, und damit die Fahrgeschwindigkeit, sich im richtigen Sinne
ändert und der Fahrmotorstrom seinem Sollwert zugeführt wird. Die einzelnen Fahrstufen
werden mit dem Fahrschalter 13 eingestellt, der gleichzeitig die Füllungsversteller
15 und 15' der beiden Dieselmotoren und den Sollwertgeber 14 des Fahrmotorstromes
für den Magnetverstärker 12 derart steuert, daß jeder Fahrstufe und damit jeder
Drehzahl des Dieselmotors, ein Sollstrom entspricht, der im Generator ein für den
Dieselmotor günstiges Drehmoment exzeugt, d. h. für den geringsten Brennstoffverbrauch
sorgt.
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Fällt ein Dieselmotor infolge einer Störung während der Fahrt aus,
so ist es möglich, über den Widerstand 9
die Fahrmotoren 3 einphasig
anzufahren und im Dauerbetrieb unter Kurzschließen des Widerstandes 9 durch
den Schalter 8 einen Einphasen-Fahrbetrieb verminderter Leistung aufrechtzuerhalten.
Mit Hilfe der zugehörigen
Schalter 4 und 4' wird das betreffende
Ag-
gregat abgeschaltet, d. h., der Schalter befindet sich dann in
der gezeichneten Stellung. Über den Ruhekontakt a und den Widerstand 9 wird
die spannungslose Phase der Motoren auf die spannungsführende Phase geschaltet.