DE591061C - Einrichtung zur Umformung von Gleichstrom konstanter Spannung in Gleichstrom von praktisch konstantem Strom - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine weitere Ausbildung des im Patent 414806 beschriebenen, mit Gleichstrom von konstanter Spannung gespeisten regelbaren Umformers zur Speisung von in zwei gleich starken Gruppen verteilten Bahnmotoren oder Motoren ähnlicher Gattung und zur selbsttätigen, praktisch verj lustlosen Regelung dieser Motoren beim Anlassen und beim Bremsen sowie zur Energierückgewinnung beim Bremsen.
j Die im Patent 414 806 beschriebene Einj richtung besteht im wesentlichen (s. Abb. 1) j aus drei oder vier induzierten Wicklungen bzw. Ankern A₁, A₂, A₃ oder A₁, A₂', Α.,", A₃, die auf derselben Welle angeordnet und in Hintereinanderschaltung an die Gleichstromzuleitung mit der Spannung V angeschlossen sind, wobei A₁ und A₃ sowie A₂ und A₂" gleichwertig sind. Die erregenden Wicklungen erzeugen in den Ankern drei bzw. vier Spannungen, von denen die Spannungen V₁ und V_z an den beiden äußersten Ankerwicklungen A₁ und A₃ veränderlich, aber einander gleich sind, während die Spannung V₂ im entgegengesetzten Sinne wie die vorigen an der Ankerwicklung A₂ entsteht bzw. die zwei einander gleichen Spannungen V₂ und V₂" an den Zwischenwicklungen A₂ und A₂" entgegengesetztes Vorzeichen wie die vorigen haben und auch veränderlich sind. Die Motoren oder sonstigen Verbraucher sind in zwei' Gruppen Ai₁ und M₃ unterteilt und mit dem Umformer bzw. Spannungsteiler durch direkte oder gekreuzte symmetrische Leitungen verbunden.

Auf diese Weise geschehen bei der bekannten Anordnung einerseits das Anlassen und anderseits das Bremsen der Motoren M₁ und M₃ in zwei Stufen.

Während der ersten Stufe des Anlassens mit direkten Leitungen oder der ersten Stufe des Bremsens mit gekreuzten Leitungen er-

V
zeugt man eine von ο bis — wachsende Span-

γ
nung V₁ oder eine von — bis ο abnehmende

Spannung V₂. ■

Während der zweiten Stufe des Anlassens mit gekreuzten Leitungen oder der zweiten Stufe des Bremsens mit direkten Leitungen

V'
erzeugt man eine von — bis ο abnehmende

Spannung V₁ oder eine von 0 bis —- zunehmende Spannung V₂-

Die die Geschwindigkeitsregelung der Motoren bewirkenden Spannungsänderungen wurden bei der im Patent 414 806 beschriebenen Anordnung von Hand erzielt, und zwar durch Regelung der Feldwiderstände, die in den Stromkreisen für die Feldwicklungen lagen, welche einesteils die Anker A₁ und A₃ und andernteils A₂ bzw. A₂ und A₂" erregten.

Erfindungsgemäß wird die Einrichtung · nach Patent 414806 dadurch weiter ausgebil-

591 Oöl

det, daß die veränderlichen Spannungen V₁ = F₃ und V₂ (welche stets der Bedingung Vχ + V₂ ~\~ V_s = F entsprechen müssen) im Verlauf der Anlaß- und Bremsstufen selbsttätig erzeugt werden, \vährend nur der Übergang von einer Stufe zur andern von Hand hervorgebracht wird.

Der Erfindungsgegenstand besteht im wesentlichen darin, daß jede induzierte Wicklung

ίο der Einwirkung von drei Primärwicklungen ausgesetzt ist. Die erste wird mit konstanter Spannung, z. B. mit der Spannung F der Hauptleitung (bei beständiger Abzweigerregung), gespeist, die zweite wird von dem Strom des zugehörigen Ankers durchflossen (veränderliche Serienselbsterregung), und die dritte wird von dem in dem benachbarten Anker erzeugten Strom durchflossen (veränderliche Hilf sserienerregung). Die drei

ao Erregungen stehen in einem solchen Verhältnis zueinander, daß den beiden Bedingungen F₁ = K₃ und V₁+ V₂ + F₃ == F stets selbsttätig entsprochen wird. Dieses Ziel wird auf folgende Art erreicht:

i. ist die konstante Erregung imstande, die

γ
Mittelspannung — in jeder äußersten indu-

V zierten Wicklung und die Mittelspannung —-

in der Ankerwicklung A₂ bzw. in den beiden Ankerwicklungen A₂ und A₂" allein zu er- : zeugen, so daß der Bedingung

stets entsprochen wird, wenn der Umformer mit seiner normalen Drehgeschwindigkeit leer läuft;

2. setzt die Serienselbsterregung die Stromspannung herab und erzeugt bei normaler Geschwindigkeit des Umformers die

Spannung , wenn die von ihr beeinflußte

induzierte Wicklung von einem Strom mit dem absoluten Wert' i durchflossen wird, welche Richtung derselbe auch habe;

3. wirkt die Hilf sserienerregung als Zu-,·· satz auf die im Anker erzeugte Spannung und erzeugt bei normaler Geschwindigkeit des

Unterteilers die Spannung -j ,wenn die be-

. 4

nachbarte induzierte Wicklung, die in ihrer Art von der von ihr beeinflußten abweicht, von einem Strom mit dem absoluten Wert i verflossen ist, welche Richtung derselbe auch habe.

Die Serienwicklungen müssen also bei einem Strom F eine Spannung kY erzeugen,

V
wobei k einen absoluten Wert=—r hat.

4^!

Da die Ströme in den verschiedenen induzierten Wicklungen ihre Richtung ändern, wenn man von' einer Arbeitsstufe auf die folgende übergeht, muß man selbstverständlich außerdem bei jeder Stufenänderung die Verbindungen zwischen den induzierten Wicklungeii und den Serienwicklungen umkehren, damit die verlangten spannungsherabsetzenden und spannungserhöhenden Wirkungen gewährleistet werden.

Der Gegenstand der Erfindung ist lediglich beispielsweise schematisch in einer Ausführungsform auf der Zeichnung in Abb. 2 bis 9 bei den verschiedenen aufeinanderfolgenden Arbeitsstufen veranschaulicht.

Abb. 2 zeigt die Schaltung für die erste Anlaßstufe,

Abb. 3 eine Übergangsstufe bei Motoren in Serienschaltung,

Abb. 4 die zweite Anlaßstufe,

Abb. 5 eine Übergangsstufe (entweder für das Anlassen oder für das Bremsen) bei Motoren in Parallelschaltung.

Abb. 6 zeigt die Schaltung für die erste Bremsstufe,

Abb. 7 eine Übergangslage bei Motoren in Serienschaltung,

Abb. 8 die zweite Bremsstufe.

Abb. 9 zeigt die Motoren im Kurzschluß.

In Abb. 10, 11 und 12 sind verschiedene Zusatzvorrichtungen dargestellt.

Zur besseren Verständlichkeit wurden bei allen Abbildungen solche Bezugszeichen gewählt, daß die von den Strömen erzeugten Spannungen je dieselbe Richtung haben wie die sie erzeugenden Ströme.

Gemäß der Erfindung wird jede induzierte Wicklung, wie z.B. A₁, einem aus drei Einzelfeldern zusammengesetzten Erregerfeld ausgesetzt. Dieses resultierende Feld wird erzeugt durch eine konstant erregte Wicklung S₁ und durch zwei veränderlich erregte Serienwicklungen P₁ und q_v Die verschiedenen Serienwicklungen sind derart angeordnet, daß Pu P-2> Pz'> Ps ^{von c}'^cn Strömen I₁, I₂, I₂", J₃ in der ersten Anlaßstufe und in der ersten Bremsstufe und von den Strömen I₂,1₁, I₃,1₂" in der zweiten Anlaßstufe und in der zweiten Bremsstufe durchflossen werden, wobei dagegen q_lt q₂, q₂", q_a von den bezüglichen Strömen L₂', I₁, J₃,1₂" in den ersten Stufen und von den Strömen Z₁,1₂,1₂", I₃ in den zweiten Stufen durchflossen sind. Wie ersichtlich, ist A₁ z. B. in den ersten Stufen einer konstanten Erregung durch die Wicklung J₁, einer veränderlichen Serienselbsterregung durch die Wicklung P₁ und einer Serienhilfserregung durch die Wicklung q_x ausgesetzt, welch letztere dann von der benachbarten Ankerwicklung A₂ erregt wird, die in ihrer Art von der ermähnten Ankerwicklung A₁ abweicht; in den zweiten Stufen wird A₁ noch drei ähnlichen Erregungen ausgesetzt; die Selbst-

erregung wird aber von q_t und die Hilfserregung von P₁ erzeugt. >*

Es ist darauf hinzuweisen, daß P₁ und q₂, p₂ und Q₁, p₂" und q_s, p_s und q₂" paarweise stets von demselben Strom, z. B. für /ί und q₂ bald von I₁ und I₂, bald von I₂ und I₁ durchflossen werden, da, wie aus der Zeichnung ersichtlich, die beiden Wicklungen eines jeden Paares miteinander beständig in Serienschaltung verbunden werden; infolgedessen kann die Umkehrung der Ströme bei den Übergängen von einer Anlaß- bzw. Bremsstufe auf die andere mit Hilfe von nur zwei Doppelumschaltern 21-24 und 25-28 erzielt werden.

Gemäß Abb. 4 erzeugt die Wicklung J₂' im

Verlauf der zweiten Anlaßstufe im An-

Y ker A₂ die konstante Spannung + — ; die

erzeugt eine Spannung

V _c]ie sich _von

Serienwicklung q₂

__: . _A _c]i_e sich _von ._ bis ο ändert,

4 » 4

da sich I₂ von + i bis 0 ändert; die Serienwicklung/»,' erzeugt eine veränderliche Span-

.Vl,.... ... V

nung -\ - , die sich von 0 bis + —

4 ^l 4

ändert, da sich I₁ von ο bis — i ändert. Infolgedessen ändert sich die durch die drei Erregungen erzeugte Spannung von ο bis auf---,

d. h. genau wie sich die Spannung V₂ bei normaler Geschwindigkeit des Umformers ändern muß, vorausgesetzt, daß der von den drei Erregungen beeinflußte magnetische Kreis noch lange nicht magnetisch gesättigt ist. Man könnte ebenfalls für die anderen Stufen und auch für alle anderen induzierten Wicklungen bzw. Anker feststellen, daß die Wirkungsweise einer jeden Gruppe von drei Erregun-

I 11 , V

gen in allen Fällen den gleichen Gesetzen unterworfen ist.

Die Umkehrungen der Verbindungen zwischen den Serienwicklungen und den induzierten -Wicklungen bei den Übergängen von einer Anlaß- bzw. Bremsstufe auf die andere sowie die mit Hilfe der Umschalter 33, 34 und 35, 36 erfolgenden Umkehrungen der Verbindungen zwischen den Motoren und den induzierten Wicklungen des Umformers müssen beide gleichzeitig geschehen, wie weiter unten an Hand der Abb. 11 erläutert wird. In bezug auf die anderen veranschaulichten Umschalter sei erwähnt, daß 32 und 37 zur Parallelschaltung der Motoren bei voller Spannung V am Ende der zweiten Anlaßstufe bzw. Anlaßperiode und 31 und 38 zur Einschaltung der Motoren in direkten Kurzschluß am Ende der zweiten Bremsstufe bzw. Bremsperiode ge- ■ braucht werden.

Bei allen Abbildungen sind die geschlossenen Umschalter bzw. Einschalter mittels schwarzer rechteckiger Brücken angegeben; bei den Abb. 3, 5, 7 und 9 bezeichnen die schwarz umrandeten Rechtecke, daß die entsprechenden Umschalter bzw. Einschalter erst einen kurzen Augenblick nach Schließung der Umschalter bzw. Einschalter mit schwarzen Brücken zu öffnen sind, damit ein Teil der durch die Motoren fließenden Ströme niemals unter vollem Strom ausgeschaltet wird.

Auch ist darauf hinzuweisen, daß die Wirkungsweise des Umformers verschieden ist,, d.h. die Summe2 V₁ · I₁ der den Ankern A₁ und Α_Ά zugeführten Leistungen ist der Summe 2F₂-Z₂ der den Ankern A₂ und A₂" zugeführten Leistungen, als absolute Werte gerechnet, nur dann gleich, wenn I₁-J-I₂ = i. Denn die beiden Produkte:

M 2 ν ( P₁-

I 4 4 * 4

sind nur dann gleich, wenn I₁ —1₂= —--_;—²-,

vorausgesetzt, daß I₁ und I₂ verschieden und I₁ -f- I₂ .== i (als absolute Werte).

Infolgedessen bewirken die gesamten dreifachen Erregungen nicht nur eine selbsttätige Regulierung der Motorengeschwindigkeit, sondern auch eine Regulierung des von den Motoren verbrauchten bzw. erzeugten Stromes, wobei die Stärke des durch die Motoren fließenden Stromes (i) auf diese Weise selbsttätig konstant gehalten wird, ohne daß die Drehgeschwindigkeit des Umformers geändert wird.

Wenn nun im Bedarfsfall der absolute

Wert des durch die Motoren fließenden Stromes geändert werden muß, so ist das Verhältnis k = —- der Serienwicklungen p, q in dein

Maße zu ändern, nämlich zu schwächen bzw. zu verstärken, als der Motorstrom i verstärkt bzw. geschwächt werden muß. Man muß also die Windungszahl der acht Serienwicklungen p, q selbstverständlich im selben Maße vermehren oder vermindern. Dies kann durch Kurzschließen einzelner Windungen bzw. durch Öffnen der schon bestehenden Kurzschlußverbindung geschehen. Da die acht Wicklungen p, q in vier Paaren p_lt q₂; p₂, ^₁; Pi"> Qs'> p3> Q2" angeordnet sind, genügen hoch-

stens vier je mit einem von den vier Paaren in Parallelschaltung angeordnete Widerstände t zur Ausführung der Stromregulierung (s. Abb. io), wobei die mittels eines Widerstandes r durch die Nebenschlußwick- · lung s fest eingestellt bleibende Geschwindigkeit des Umformers in keiner Weise geändert wird. Der durch die Motoren M₁ und M₃ fließende Strom wird also durch gemeinsame Erhöhung bzw. Herabsetzung der zu den einzelnen Paaren von Serienwicklungen parallel geschalteten Widerstände t_lt t₂, t₂", t₃ verstärkt bzw. geschwächt. ■ ■ Zum Einschalten bzw. Ausschalten in der gewünschten Reihenfolge (Abb. 2 bis io) von zwischen den Serienerregerwicklungen und ,den induzierten 'Wicklungen vorgesehenen Umschaltern 21 bis 28 sowie auch von zwi-' sehen den induzierten Wicklungen und den ao Motoren befindlichen Umschaltern 33 bis 36 sowie ■ der Ausschalter 31, 32, 37 und 38, welch letztere dazu bestimmt sind, genannte Motoren in Parallelschaltung bzw. in Kurz-• Schluß zu bringen, kann ein einziger Antriebsapparat, z. B. ein Kontroller, verwendet werden. " Abb. 11 veranschaulicht schematisch einen solchen Apparat. Derselbe besteht z. B. aus einem mit einer Reihe von leitenden . Segmenten versehenen Drehzylirider aus nichtleitendem Baustoff. Die Segmente 4i'-4i", 42'-42" usw. sind auf dem Zylinderumfang, wie aus Abb. 11 zu ersehen, verteilt angeordnet und dienen dazu, die festen Kontakte 21 bis 28 und 31 bis 38 der Abb. 2 bis 10 in bekännter Weise leitend zu verbinden. In der Abb. 11 wird angenommen, daß die festen Kontakte auf einer einzigen Linie bzw. Geraden angeordnet sind. Die Lage G-C des Zy-

■ linders, d.h. die Lage, bei welcher sich die

Linie C-C gegenüber den festen Kontakten befindet, entspricht der Kurzschlußschaltung der Motoren M₁. und M₃ sowie der Kurzschlußschaltung aller Serienerregungen. Die Lagen D₁, D_s, D₂, D_p entsprechen den aus Abb. 2 bis 5 ersichtlichen Schaltstufen und die Lagen F_p, F₁, F_s, F₂ den aus Abb. 6 bis 9 ersichtlichen Schaltstufen. Schließlich entspricht die Lage L der direkten Speisung der ■■■' ' .Motoren .durch das Primärnetz bei Kurzschlußschaltung bzw. Überbrückung aller Serienerregungen.

Zur einfacheren Darlegung wurde bisher angenommen, daß die konstant erregten -· Wicklungen die Spannung an denl· Klemmen der' Anker A₁, A₂ usw. bestimmen; in'Wirklichkeit' aber bestimmen· die- Erregerwicklungen die elektromotorische Kraft, die sich von genannter Spannung um den durch den Wider^L stand eines der Anker■· hervorgerufenen SpaiinungsyerJust".unterscheidet; ^:

Wenn eine induzierte A¥icklung . (Ankerwicklung) generatorisch arbeitet, so übersteigt ihre elektromotorische Kraft die Klemmenspannung um so mehr, je größer der dieselbe durchfließende Strom ist. Wenn man nun will, daß die Klemmenspannung und nicht etwa die elektromotorische Kraft gewissen Änderungen folgt, muß man die Erregungentsprechend der Stärke des Ankerstromes erhöhen. Es genügt dann, die Windungszahl der Gegenkompoundwicklung (Serienhilfserregung) zu vermindern.'Wenn dagegen eine induzierte Wicklung motorisch arbeitet, so ist es umgekehrt: Die elektromotorische Kraft ist dann kleiner als die Klemmenspannung, die Erregung muß vermindert werden, und es genügt, die Windungszahl der Gegenkompoundwicklung zu vermehren.

Da die Anker A₁ und A₃ generatorisch und die Anker A₂' und A₂" motorisch bei den ersten Stufen (ebenso bei den Anlaß- wie bei den Bremsstufen) arbeiten, so muß die Zahl der Windungen der Wicklungen P₁ und p₃ herabgesetzt und die der Wicklungen p₂ und p₂" erhöht werden. Da bei den zweiten Stufen (Anlaß- bzw. Bremsstufen) die Anker A₁, A₃ dagegen· als motorisch und die Anker A₂, A₂" generatorisch wirken, ist die Zahl der Windungen der Wicklungeng! und ^₃ zu erhöhen und diejenige der Wicklungen q₂" und q₂" zu vermindern.

Alle genannten Korrektionsregulierungen können einfach ausgeführt werden, wenn eine Anordnung, wie z. B. aus Abb. 12 ersichtlich, gebraucht wird. Alle Verbundwicklungen bestehen aus zwei Teilen, von denen der eine stets voll eingeschaltet ist, während der andere'Wicklungsteil nur dann vom Strom durchflossen wird, wenn die Wirkung der Gegenverbundwicklungen erhöht werden muß. Zum Einschalten bzw. Ausschalten des zweiten Wicklungsteils der Wicklungen p_u p₂, Pa"> P» werden die schon erwähnten Umschalter 21 bis 28 verwendet; zum Einschalten bzw. Ausschalten des zweiten Wicklungsteils der Wicklungen ^₁, q₂ , q.₂", q₃ werden zwischen diesen und den Punkten 11 und 13 Umschalter 41 bis 48 angeordnet. In Abb. 12 sind mit (1) alle Umschalter, die im Laufe der ersten Stufen (Anlassen und Bremsen) ge- no schlossen sind, und mit (2) alle Umschalter be- zeichnet,' die im Laufe der zweiten Stufen geschlossen sein müssen. Bei den Übergängen von einer Stufe auf die andere und auch im Laufe der sehr kurzen Übergangsphase müssen selbstverständlich alle fraglichen Umschalter zur Vermeidung von Strom Unterbrechungen geschlossen-sein. ■■ ■■■-,'.
• Es wird; noch darauf hingewiesen, daß die vier Reihen von Wicklungen, nämlich p_v q₂; P'/> Qu P2"> Qs> Pz>Qz", einen stets eingeschalteten Wicklungsteii aufweisen, dessen Wirkung

durch die Wirkung eines nicht immer eingeschalteten Wicklungsteils sowohl frei den ersten Stufen — bei geschlossenen Umschaltern (i) und geöffneten Umschaltern (2) —als bei den zweiten Stufen — bei geöffneten Umschaltern (2) — im Bedarfsfall ergänzt bzw. vergrößert wird. Beim Übergang von irgendeiner Stufe auf irgendeine andere Stufe ändert sich also der Ohmsche Gesamtwiderstand einer jeden der vier Reihen von Serienwicklungen nicht. Infolgedessen ist irgendeine Änderung der vier Widerstände t_v t₂, t₂", t_& der Abb. 10, die zur Regulierung des Stromes i der Motoren M₁ und M₃ bestimmt sind, nicht notwendig.

Bei Anordnung der induzierten Wicklungen A₁ und Α_Ά auf einem gemeinsamen Ankerkern können sich selbstverständlich die Erregerwicklungen S₃, ρ_Ά, q_A mit den Primärwicklungen S₁, p_u </_t vereinigen, und bei Anordnung der induzierten Wicklungen A₂' und A₂" auf einem anderen gemeinsamen Ankerkern bzw. bei Vereinigung derselben in einer einzigen induzierten Wicklung A₂ können sich die Erregerwicklungen S₂", p₂", q₂" mit den Wicklungen S₂, p₂, q₂ vereinigen. In diesen verschiedenen Fällen ist die Zahl der Umkehrimgsschalter zwischen den Serienwicklungen und den induzierten Wicklungen entsprechend geringer. Die Drehzahl der auf einer gemeinsamen Welle sitzenden Anker ändert sich während der einzelnen Betnebsstufen nicht merklich.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Einrichtung zur Umformung von. Gleichstrom konstanter Spannung in Gleichstrom von praktisch konstantem Strom mit drei bzw. vier von regelbaren Feldern beeinflußten Ankern oder Ankerteilen (zwei äußeren und einem bzw. zwei mittleren), die in Hintereinanderschaltung an einem Gleichstromnetz von konstanter Spannung liegen, dadurch gekennzeichnet, daß der diese Anker oder Ankerteile durchsetzende Kraftfluß durch drei Erregerwicklungen erzeugt wird, von denen die erste, die beispielsweise im Nebenschluß am Primärnetz von der Spannung V liegt, eine konstante Erregung liefert, die für sich allein eine mittlere

   V
   Spannung — in jedem äußeren Anker

   oder Ankerteil (A₁, A₃) und eine mittlere

   Spannung —. in dem mittleren Ankerteil (A₂ bzw. A₂ -\- A₂") erzeugen würde, die zweite in Serie mit dem von ihr induzierten Anker geschaltet ist und eine die Spannung herabsetzende Serienselbsterregung von veränderlicher Größe darstellt, und von denen die dritte Erregerwicklung in Serie mit einem Anker liegt, der dem von ihr induzierten Anker benachbart ist und eine die Spannung heraufsetzende Hilfsserienerregung von veränderlicher Größe darstellt, wobei die ' Anschlüsse dieser drei Erregerwicklungen zu einer \^orrichtung geführt sind, die die verschiedenen Schaltungen ausführt, mittels derer die die Spannung erhöhende bzw. herabsetzende Wirkung trotz Richtungswechsels des Stromes bei den verschiedenen Betriebsstufen erhalten wird.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der im allgemeinen konstanten Stromstärke der Motoren die Windungszahl der im Hauptschluß liegenden Erregerwicklungen oder die Größe des Nebenwider-Standes dieser Wicklungen im Bedarfsfall veränderbar ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Hauptschluß liegenden Erregenvicklungen in zwei Teile zerfallen, von denen der erste den Hauptteil bildet und beständig in Wirkung bleibt, während der zweite einen' Korrektionsteil darstellt, mittels dessen die Änderungen des durch den Eigen-Aviderstand der Anker, je nachdem sie generatorisch oder motorisch arbeiten, hervorgerufenen Spannungsabfalls kompensiert werden.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen