DE1169567B

DE1169567B - DC generator

Info

Publication number: DE1169567B
Application number: DEB62704A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Lang; Dipl-Ing Heinz Weiberle
Original assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; Brown Boveri und Cie AG Germany
Current assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1961-05-30
Filing date: 1961-05-30
Publication date: 1964-05-06

Description

Gleichstromgenerator Fahrzeuge besitzen heute meist elektrische Anlagen, die von einem Generator, der von der Achse oder dem Fahrzeugantriebsmotor angetrieben wird, gespeist werden. Beim Stillstand des Fahrzeuges oder des Antriebsmotors wird die elektrische Energie einer Akkumulatorenbatterie, die- während der Fahrt oder beim Lauf des Antriebsmotors aufgeladen wird, entnommen. Sowohl für die Speisung der Verbraucher als auch zur Ladung der Akkumulatorenbatterie ist eine konstante Spannung erforderlich. Durch die Änderungen der Drehzahl und der Belastung des Generators wäre die Spannung ohne besondere Maß= nahmen sehr starken Schwankungen unterworfen. Zur Konstanthaltung der Spannung sind Regler der verschiedensten Bauarten bekanntgeworden, von denen in letzter Zeit in starkem Maße kontaktlose Regler, wie z. B. Magnetverstärkerregler, zur Verwendung kommen.DC generator vehicles today mostly have electrical systems, that of a generator driven by the axle or the vehicle drive motor will be fed. When the vehicle or the drive motor is at a standstill the electrical energy of an accumulator battery, which - while driving or is charged while the drive motor is running, removed. Both for feeding the consumer as well as the charge of the accumulator battery is a constant Voltage required. By changing the speed and the load on the generator the voltage would be subject to very strong fluctuations without special measures. To keep the voltage constant, regulators of various types have become known, of which recently, a large number of non-contact regulators, such as B. Magnetic amplifier controller, come to use.

Die Regelung der Spannung des Generators erfolgt bei allen Reglern durch Soll-Ist-Wertvergleich der Spannung, d. h., der Regler ändert die Erregung des Generators bei Schwankungen der Drehzahl so lange, bis Soll- und Istwert der Spannung des Generators nach einer Abweichung wieder übereinstimmen. Die Spannungsschwankungen können klein gehalten werden, wenn der Regler mit zusätzlichen Steuerwicklungen versehen wird, die z. B. bei Vergrößerung der Belastung den Regler so beeinflussen, daß die Erregung schon vergrößert wird, bevor die Spannung am Generator in stärkerem Maße abgefallen ist. Während eine Belastungsänderung durch einen Stromwandler leicht erfaßt werden kann und als Erregung verstärkende Komponente einer Steuerwicklung eines Magnetverstärkerreglers zugeführt werden kann, ist es wesentlich schwieriger, die zweite wesentliche Störgröße, die Drehzahl, zu erfassen. Dabei ist die Erfassung der Drehzahlschwankungen im besonderen bei Fahrzeugen, die ein Schaltgetriebe besitzen und bei denen der Generator vom Fahrmotor angetrieben wird, notwendig, da dort beim Oberschalten von der einen auf die andere Drehzahlstufe besonders große Drehzahlschwankungen auftreten, die sich in entsprechenden Spannungsschwankungen auswirken.The voltage of the generator is regulated by all regulators by comparing the setpoint and actual values of the voltage, d. that is, the controller changes the excitation of the generator in the event of fluctuations in the speed until the setpoint and actual value of the Voltage of the generator match again after a deviation. The voltage fluctuations can be kept small if the regulator is equipped with additional control windings is provided, the z. B. affect the controller when the load increases, that the excitation is already increased before the voltage on the generator is stronger Dimensions has dropped. While a load change due to a current transformer is easy can be detected and as an excitation amplifying component of a control winding a magnetic amplifier controller, it is much more difficult to the second essential disturbance variable, the speed, to be recorded. Here is the capture the speed fluctuations in particular in vehicles that have a manual transmission and where the generator is driven by the traction motor, necessary because there with Switching from one to the other speed level has particularly large speed fluctuations occur which result in corresponding voltage fluctuations.

Die Generatorspannung ist zwar im wesentlichen proportional der Drehzahl, aber auch abhängig von der Belastung, so daß sie kein ausreichend genaues Abbild der Drehzahl darstellt, um die Schwankungen der Spannung, die durch die veränderlichen Motordrehzahlen hervorgerufen werden, in ausreichendem Maße kompensieren zu können. Ein genaues Abbild der Drehzahl eines Generators stellt aber die Frequenz der in einem Generator erzeugten Spannung dar. Auch in Gleichstromgeneratoren wird ja bekanntlich erst eine elektrische Wechselspannung erzeugt, die durch den Kollektor gleichgerichtet wird. Zwischen zwei Kollektorlamellen besteht daher bei einem Gleichstromgenerator eine Wechselspannung, deren Frequenz der Drehzahl genau proportional ist. Diese Spannung kann über Schleifringe abgenommen werden.The generator voltage is essentially proportional to the speed, but also dependent on the load, so that it is not a sufficiently accurate image the speed represents the fluctuations in voltage caused by the variable Motor speeds are caused to be able to compensate sufficiently. However, an exact image of the speed of a generator is the frequency of the in voltage generated by a generator. Also in direct current generators is known only an electrical alternating voltage is generated, which is rectified by the collector will. In the case of a direct current generator, there is therefore between two collector lamellas an alternating voltage, the frequency of which is exactly proportional to the speed. These Voltage can be removed using slip rings.

Es ist bereits bekannt, diese Wechselspannung über einen Magnetverstärker und über einen Gleichrichter der Erregerwicklung des Gleichstromgenerators zuzuführen. Die Steuerwicklung des Magnetverstärkers wird bei dieser bekannten Anordnung von einem dem Belastungsstrom des Gleichstromgenerators proportionalen Spannung beeinflußt. Die bei plötzlichen starken Drehzahländerungen auftretenden starken Spannungsschwankungen, wie sie insbesondere bei der Umschaltung von der einen auf die andere Drehzahlstufe des Schaltgetriebes von Diesellokomotiven auftreten können, sind durch eine solche Schaltung jedoch nicht zu beseitigen.It is already known to use a magnetic amplifier to this alternating voltage and fed to the field winding of the direct current generator via a rectifier. The control winding of the magnetic amplifier is in this known arrangement of influenced a voltage proportional to the load current of the direct current generator. The strong voltage fluctuations that occur with sudden strong changes in speed, as they are especially when switching from one to the other speed level of the manual transmission of diesel locomotives are caused by such Circuit not to be eliminated.

Die Erfindung betrifft einen Gleichstromgenerator zur Speisung der Hilfsbetriebe auf Fahrzeugen, insbesondere auf Schienenfahrzeugen mit einer einen Magnetverstärker als Stellglied enthaltenden Spannungsregeleinrichtung, die eine Störgrößenaufschaltung für den Ausgleich der Spannungsschwankungen, die durch Änderung der Belastung und der Drehzahl hervorgerufen werden, aufweist, bei der für den Ausgleich von als Störgröße auftretenden Drehzahlschwankungen eine dem Gleichstromgenerator z. B. an mit gegenüberliegenden Kommutatorlamellen verbundenen Schleifringen eine Wechselspannung entnommen und in eine der Frequenz der Wechselspannung proportionale Gleichspannung umgewandelt wird und einer Steuerwicklung des Magnetverstärkers im Sinne einer Störgrößenaufschaltung zugeführt ist.The invention relates to a direct current generator for feeding the Auxiliary operations on vehicles, in particular on rail vehicles with one Magnetic amplifier as an actuator containing voltage regulating device, the one Feedforward control to compensate for voltage fluctuations caused by changes the load and the speed caused, has for the compensation speed fluctuations occurring as a disturbance factor affect the direct current generator z. B. connected to opposite commutator bars slip rings a AC voltage is taken and converted into a frequency proportional to the AC voltage Converted to DC voltage and a control winding of the magnetic amplifier is fed in the sense of a feedforward control.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die insbesondere bei der Umschaltung einer Drehzahlstufe des Schaltbetriebes auftretenden Nachteile der bekannten Schaltung zu vermeiden. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß die zur Umwandlung der dem Gleichstromgenerator entnommenen Wechselspannung in eine nur der Frequenz dieser Wechselspannung proportionale Gleichspannung dienende Vorrichtung (Frequenzspannungsumsetzer) aus einer mit einem ohmschen Widerstand in Reihe geschalteten Drossel mit rechteckiger oder nahezu rechteckiger Magnetisierungsschleife besteht, deren Windungszahl so bemessen ist, daß von einer sehr kleinen Erregerwechselspannung an nur ein Teil der Spannungszeitfläche von der Drossel aufgenommen werden kann, so daß an den Klemmen der Drossel Spannungsimpulse entstehen, deren Zeitfläche unabhängig von der an den Klemmen der Reihenschaltung von Widerstand und Drossel anliegenden Spannung ist, so daß der nach Gleichrichtung der Spannungsimpulse gewonnene arithmetische Mittelwert derselben proportional der Frequenz der an die Anordnung angelegten Wechselspannung und unabhängig von der Höhe der angelegten Spannung und deren Kurvenform ist.It is the object of the invention, in particular when switching a speed stage of the switching operation occurring disadvantages of the known circuit to avoid. This is done according to the invention in that the conversion of the the alternating voltage taken from the direct current generator into an only the frequency of this AC voltage proportional DC voltage serving device (frequency converter) from a choke connected in series with an ohmic resistor with a rectangular or almost rectangular magnetization loop, the number of turns so is dimensioned that from a very small alternating excitation voltage on only a part the voltage-time area can be absorbed by the choke, so that at the terminals of the choke voltage pulses arise whose time area is independent of the at the Terminals of the series connection of resistor and choke is applied voltage, so that the arithmetic mean value obtained after rectifying the voltage pulses the same proportional to the frequency of the alternating voltage applied to the arrangement and is independent of the level of the applied voltage and its waveform.

An Hand eines Ausführungsbeispiels soll die Arbeitsweise eines solchen Generators mit einer Spannungsregeleinrichtung gemäß der Erfindung näher erläutert werden.Using an exemplary embodiment, the mode of operation of such a Generator with a voltage regulating device according to the invention explained in more detail will.

In der F i g. 1 a bedeutet 1 einen Gleichstromgenerator, der außer dem Kollektor zwei Schleifringe aufweist, die zwischen zwei Kollektorlamellen angeschlossen sind und an denen demgemäß eine Wechselspannung ansteht, deren Frequenz der Drehzahl proportional ist. 2 ist eine Drossel mit rechteckiger bzw. nahezu rechteckiger Magnetisierungsschleife, 3 ein ohmscher Widerstand; 4 eine Glättungsdrossel und 5 ein Magnetverstärkerregler mit Steuerwicklungen 5 a und Hauptwicklungen 5 b. In FIG. 1 a means 1 a direct current generator which, in addition to the collector, has two slip rings which are connected between two collector lamellas and to which an alternating voltage is accordingly present, the frequency of which is proportional to the speed. 2 is a choke with a rectangular or almost rectangular magnetization loop, 3 an ohmic resistor; 4 a smoothing choke and 5 a magnetic amplifier regulator with control windings 5 a and main windings 5 b.

Die oberen Steuerwicklungen 5a des Magnetverstärkerreglers sind von der am Gleichrichter 6 gleichgerichteten Spannung über die in Reihe geschalteten Glättungsdrossel 4 und dem ohmschen Widerstand 7 gespeist. Die Erregerwicklung 1 a des Gleichstromgenerators 1 ist von der an den Schleifringen des Gleichstromgenerators 1 anliegenden Spannung über die Hauptwicklungen 5 b des Magnetverstärkerwicklers 5 und die Gleichrichterzellen 8 gespeist. Bei einer Änderung der an der Drossel 2 anliegenden Spannung wird somit der Erregerstrom des Gleichstromgenerators 1 beeinflußt.The upper control windings 5a of the magnetic amplifier regulator are fed by the voltage rectified at the rectifier 6 via the series-connected smoothing choke 4 and the ohmic resistor 7. The excitation winding 1 a of the direct current generator 1 is fed by the voltage applied to the slip rings of the direct current generator 1 via the main windings 5 b of the magnetic amplifier winder 5 and the rectifier cells 8. When the voltage applied to the choke 2 changes, the excitation current of the direct current generator 1 is thus influenced.

In der F i g. 1 b ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, bei der die Drossel 2 zwei galvanisch getrennte Wicklungen 2 a und 2 b aufweist. Bei dieser Schaltung fließt also durch die Steuerwicklungen 5 a des Magnetverstärkerreglers 5 nur bei einer Spannungsänderung an der Drossel 2 ein Steuerstrom. In der F i g. 2 schließlich ist der Fluß der Drossel 2 in Abhängigkeit von der Feldstärke bzw. vom Erregerstrom dargestellt.In FIG. 1 b shows a circuit arrangement in which the choke 2 has two galvanically separated windings 2 a and 2 b . In this circuit, a control current flows through the control windings 5 a of the magnetic amplifier regulator 5 only when there is a change in voltage at the choke 2. In FIG. Finally, FIG. 2 shows the flow of the choke 2 as a function of the field strength or the excitation current.

Die an den Klemmen der Reihenschaltung der Drossel 2 und des Widerstandes 3 zwischen zwei gegenüberliegenden Kollektorlamellen des zu regelnden Gleichstromgenerators abgegriffene, über zwei Schleifringe herausgeführte Wechselspannung ändert sich beim Leerlauf des Generators proportional mit der Drehzahl, während sie bei belastetem Generator nicht proportional mit der Drehzahl ansteigt. Die Frequenz dieser Spannung ist genau proportional der Drehzahl des Generators.The ones at the terminals of the series connection of the choke 2 and the resistor 3 between two opposite collector lamellas of the direct current generator to be regulated AC voltage tapped off via two slip rings changes when the generator is idling it is proportional to the speed, while when it is loaded Generator does not increase proportionally with the speed. The frequency of that voltage is exactly proportional to the speed of the generator.

An dem ohmschen Widerstand liegt dann eine Spannung UR = I - R. während an der Drossel bei Vernachlässigung ihrer Verluste die Spannung anliegt. Dabei ist mit I der die Anordnung durchfließende Strom, mit R der Widerstand des ohmschen Widerstandes 3, mit (1) der in der Drossel 2 induzierte magnetische Fluß, mit c eine Konstante und mit t die Zeit bezeichnet. Während des Zeitraumes, in dem sich der Fluß in der Drossel nicht ändern kann, liegt dann praktisch die Spannung Null an der Drossel und die gesamte Spannung an dem ohmschen Widerstand. Bei der Änderung des Flusses der Drossel von seinem positiven auf den negativen Wert entsteht an den Klemmen der Drossel eine Spannung. Die sich ergebende Spannungszeitfläche hat den Wert wobei 1 (,b die Flußdifferenz zwischen dem Fluß ;m oberen und im unteren Knickpunkt der Magnetisierungskurve urid die zeitliche Dauer einer Halbwelle ist. Da die Flußdifferenz eine Dimensionierungseigenschaft der Drossel und damit für eine bestimmte Auslegung konstant ist, ist demnach auch die Spannungszeitfläche über einer Halbwelle konstant. Der arithmetische Mittelwert U ",j dieser Spannung, den man beispielsweise bei Gleichrichtung dieser Spannung erhält, ist Da die Periodendauer T umgekehrt proportional der Frequenz ist, folgt daraus, daß Umi - C f ist. A voltage UR = I - R is then applied to the ohmic resistor, while the voltage is applied to the choke if its losses are neglected is present. I denotes the current flowing through the arrangement, R denotes the resistance of the ohmic resistor 3, (1) denotes the magnetic flux induced in the choke 2, c denotes a constant and t denotes the time. During the period in which the flow in the throttle cannot change, there is practically zero voltage across the throttle and the entire voltage across the ohmic resistor. When the flow of the throttle changes from its positive to the negative value, a voltage is created at the terminals of the throttle. The resulting stress-time area has the value where 1 (, b is the flux difference between the flux; m upper and lower kink point of the magnetization curve urid is the duration of a half-wave. Since the flux difference is a dimensioning property of the throttle and is therefore constant for a specific design, the voltage-time area is therefore also constant over a half-wave. The arithmetic mean value U ″, j of this voltage, which is obtained, for example, when this voltage is rectified Since the period T is inversely proportional to the frequency, it follows that Umi - C f.

Der nach Gleichrichtung erhaltene arithmetische Mittelwert der Spannung ist demnach nur proportional der Frequenz dieser Spannung und unabhängig von deren Amplitude und Kurvenform.The arithmetic mean value of the voltage obtained after rectification is therefore only proportional to the frequency of this voltage and independent of it Amplitude and waveform.

Diese nur der Frequenz proportionale Spannung wird über eine Glättungsdrossel 4 und einen Einstellwiderstand 7 den Steuerwicklungen 5a des Magnetverstärkerreglers zugeführt, und zwar so, daß bei steigender Drehzahl eine Verkleinerung der Erregung des Generators erfolgt, und umgekehrt.This voltage, which is only proportional to the frequency, is fed to the control windings 5a of the magnetic amplifier regulator via a smoothing choke 4 and an adjusting resistor 7, in such a way that the excitation of the generator is reduced as the speed increases, and vice versa.

Bei der in F i g. 1 b dargestellten Anordnung besitzt die Sättigungsdrossel zwei getrennte Wicklungen 2 a und 2b, was keine grundsätzliche Änderung gegenüber der F i g. 1 a bedeutet. Diese Anordnung hat aber den Vorzug gegenüber der in F i g. 1 a dargestellten Anordnung, daß der Meßkreis und der Stromkreis, in dem die Steuerwicklungen 5a des Magnetverstärkers liegen, galvanisch getrennt sind, so daß der innere Widerstand der Primärwicklung der Drossel, der in der bisherigen Betrachtung vernachlässigt wurde, der aber die Spannung an den Magnetverstärkersteuerwicklungen beeinflußt, eliminiert ist.In the case of the in FIG. 1 b, the saturable choke has two separate windings 2 a and 2 b, which is no fundamental change compared to FIG. 1 a means. However, this arrangement has the advantage over the one shown in FIG. 1 a shown arrangement that the measuring circuit and the circuit in which the control windings 5a of the magnetic amplifier are galvanically separated, so that the internal resistance of the primary winding of the choke, which was neglected in the previous consideration, but the voltage at the magnetic amplifier control windings influenced, eliminated.

Bei dieser Anordnung erhalten, wie geschildert, die Steuerwicklungen 5 a des Magnetverstärkers eine der Drehzahl proportionale Steuerspannung, die die Erregung des Generators bei steigender Drehzahl des Generators linear herabsetzt. Da zwischen dem Erregerstrom JF des Generators und der Drehzahl n des Generators bei konstanter Spannung ohne Last aber eine hyperbolische Beziehung besteht (der Erregerstrom JE, für konstante Generatorspannung ist umgekehrt proportional der Drehzahl n), ist die Störgrößenaufschaltung nur in den beiden Schnittpunkten der Kurve Ust= f (n), die eine Gerade ist, und der Erregerkurve 1e= f (n), die eine Hyperbel ist, richtig, während in allen anderen Punkten eine Abweichung von der erforderlichen Steuerspannung U" für die Steuerwicklungen des Magnetverstärkerreglers besteht.Obtained in this arrangement, as described, the control windings of the magnetic amplifier 5 a a proportional to the speed control voltage, which reduces the excitation of the generator with increasing speed of the generator linear. However, since there is a hyperbolic relationship between the excitation current JF of the generator and the speed n of the generator at constant voltage without load (the excitation current JE, for constant generator voltage is inversely proportional to the speed n), the disturbance variable is only fed into the two intersections of the curve Ust = f (n), which is a straight line, and the excitation curve 1e = f (n), which is a hyperbola, correct, while in all other points there is a deviation from the required control voltage U "for the control windings of the magnetic amplifier regulator.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird daher die Abhängigkeit zwischen der Spannung an den Steuerwicklungen des Magnetverstärkers 5 und der Drehzahl des Generators mit Hilfe eines Funktionsbildners in eine hyperbolische Abhängigkeit umgeformt, d. h., die Spannung am Ausgang des Funktionsbildners ist umgekehrt proportional der Frequenz, so daß eine Veränderung der Erregung des Generators in einer solchen Weise bei Leerlauf des Generators bei wechselnden Drehzahlen erfolgt, daß eine konstante Klemmenspannung induziert wird.According to a development of the invention, the dependency is therefore between the voltage on the control windings of the magnetic amplifier 5 and the speed of the generator into a hyperbolic dependency with the help of a function generator reshaped, d. that is, the voltage at the output of the function generator is inversely proportional the frequency, so that a change in the excitation of the generator in such a Way with idling of the generator at changing speeds takes place that a constant Terminal voltage is induced.

Claims

Claims: 1. DC generator for supplying the auxiliaries on vehicles, in particular on rail vehicles with a magnetic amplifier voltage regulating device containing an actuator, which feeds a disturbance variable to compensate for the voltage fluctuations caused by changing the load and the speed caused, has, in which for the compensation of as a disturbance variable occurring speed fluctuations a DC generator z. B. on with opposite Commutator bars connected to the slip rings an alternating voltage is taken and converted into a direct voltage proportional to the frequency of the alternating voltage and a control winding of the magnetic amplifier in the sense of a feedforward control is supplied, d a -characterized in that the conversion of the direct current generator (1) the AC voltage drawn into an only the frequency of this AC voltage proportional DC voltage serving device (frequency voltage converter) a throttle (2) connected in series with an ohmic resistor (3) with a rectangular or almost rectangular magnetization loop, the number of turns so is dimensioned that from a very small alternating excitation voltage on only a part the voltage-time area can be absorbed by the choke, so that at the terminals of the choke (2) voltage pulses arise whose time areas are independent of the at the terminals of the series connection of resistor (3) and choke (2) Voltage is so that the arithmetic obtained after rectifying the voltage pulses Average value thereof proportional to the frequency of the alternating voltage applied to the arrangement and is independent of the level of the applied voltage and its waveform.

2. Direct current generator according to Claim 1, characterized in that the frequency-to-voltage converter a function generator (4, 6, 7) is connected downstream, which is proportional to the speed Voltage of the output of the frequency converter to an inversely proportional to the speed Converts voltage and feeds it to the control windings (5a) of the regulator (5). Into consideration Printed publications: German Patent No. 966 662; ETZ, 1937, issue 36, P. 991; ETZ-B, 1954, issue 11, p. 402.