DE658263C - Gleichstromnebenschlussgenerator fuer konstante Leistung bei konstanter Drehzahl - Google Patents

Description

In vielen Fällen, insbesondere bei brennkraftelektrisch angetriebenen Fahrzeugen, wird verlangt, daß der Verbrennungsmotor ständig mit gleicher Drehzahl bei gleicher Leistung läuft, wenn sich auch die Zugkraft des Wagens ändert. Der Grund hierfür ist, daß man den Verbrennungsmotor am besten und womöglich bei geringstem Brennstoffverbrauch, bezogen auf die Einheit der erzeugten Energie,

to ausnutzen will. Demzufolge hat auch der elektrische Generator, der die Energie des Verbrennungsmotors über Elektromotoren auf die Triebachsen zu übertragen hat, bei wechselnder Stromentnahme eine konstante mechanische Leistung bei konstanter Umdrehungszahl aufzunehmen bzw. als elektrische Leistung abzugeben.

Man hat sich bereits mit der Aufgabe beschäftigt, die Anlage so auszubilden, daß der elektrische Generator bei konstanter Umdrehungszahl eine konstante Leistung aufnimmt bzw. abgibt. Die Belastungscharakteristik des Generators muß dabei eine gleichmäßige Hyperbel darstellen. Hierfür ist eine Anordnung bekanntgeworden, bei der in den Nebenschlußerregerkreis des Gleichstromnebenschlußgenerators eine Gleichstromhilfsmaschine eingeschaltet ist. Diese bekannte Anordnung ist insofern noch keine restlose Lösung der in Betracht kommenden Aufgabe, weil sie nicht einfach und auch nicht genau genug ist.

Dem Bekannten gegenüber besteht die Erfindung darin, daß der Gleichstromnebenschlußgenerator mit einer der Nebenschlußerregerwicklung vorgeschalteten Gleichstromhilfsmaschine eine zusätzliche Fremderregung aufweist und ferner die Hilfsmaschine 'eine mit der Welle des Generators mechanisch gekuppelte Reihenschlußmaschine ist.

Bei der bekannten Anordnung muß für die Lösung des Problems die Größe der elektromotorischen Gegenkraft der Hilfsmaschme durch Drehzahländerung mittels einer künstlichen mechanischen Belastung (durch Ventilatoren oder durch eine Wirbelstrombremse)

Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dr.-Ing. BoHvoj Fink in Prag.

eingestellt werden. Diese Hilfseinrichtung bei der bekannten. Anordnung ist nicht einfach, und, abgesehen von diesem Nachteil, geht auch noch Energie verloren, so daß der Wjtfkungsgrad der Maschinengruppe verschlechtert wird. Bei der Anordnung nach der Erfindung, dagegen ist die Hilfsmaschine mit dem Generator gekuppelt, so daß die in der Hilfsmaschine umgewandelte elektrische Energie ίο wieder in Form des mechanischen Drehmomentes der Welle des Hauptgenerators zugeführt wird. Außerdem ist es bei der bekannten Anordnung zum Erreichen des Zieles notwendig, Widerstände mit verschiedenen Temperaturkoeffizienten zu verwenden oder auf der Hilfsmaschine eine Gegenernegerwicklung anzubringen. Im Gegensatz hierzu weist bei der Anordnung nach der Erfindung der Gleichstromnebenschlußgenerator eine z'usätzliche Fremderregung auf, was sicherlich einfacher und besser ist.

Es ist nicht möglich, das brennkraftelektrisch angetriebene Fahrzeug bei jeder Belastung und in jedem Streckenabschnitt mit derselben Leistung laufen zu lassen; denn sonst würde sich einmal eine zu kleine und ein andermal wieder eine zu große Fahrgeschwindigkeit ergeben. Das geschilderte Problem muß also eine erweiterte Lösung erfahren. Innerhalb bestimmter Fahrgeschwindigkeitsbereiche muß der Gleichstromiiebenschlußgenerator eine andere, jedoch wieder konstante Leistung bei derselben oder aber auch anderen, jedoch gleichbleibender Drehzahl vom Verbrennungsmotor aufnehmen oder abgeben. Erfindungsgemäß wird die Wirkung - des Generators anderen Werten der konstant zu haltenden Leistung und Drehzahl durch gleichzeitige bzw. jeweilige Änderung seiner Fremderregung, des Vorschaltwiderstandes im Stromkreis der Nebenschlußerregerwicklung sowie auch der Feldschwächung der Hilfsmaschine angepaßt.

An Hand der beiliegenden Abbildungen wird die Erfindung noch weiter erläutert.

In Abb. ι veranschaulicht η die normale

Leerlaufcharakteristik des Generators mit Fremderregung bei konstanter Drehzahl. Zu irgendeinem Punkte e wird der entsprechende Punkte? bei Belastung des Generators durch

die Summe/-j-/* =-έ£- des Arbeitsstromes/

Po

und des Erregerstromes /& folgendermaßen gefunden:

Für die konstante zugeführte Leistung N_p wird eine Hilfshyperbel konstruiert, deren Abszissen den Ohnaschen Spannungsabfällen R_g (I -\~ Ib) und dadurch auch dem Gesamtstrom (I-\-Ib) im Anker und deren Ordinatea der elektromotorischen Kraft E_g des Generators proportional sind. Zur Konstruktion der Charakteristik wird die Hyperbel iV,, dadurch benutzt, daß auf dieselbe der Punkte der Leerlauf charakteristik in den Punkt g projiziert

wird. Dieser wird dann mittels eines um 45⁰ 65 :,

gegendie Hyperbelasymptote gemeigtenStrahles in den Punkt/; auf die vertikale Hyperbelasymptote projiziert. Von diesem Punkt h aus wird eine waagerechte Gerade gezogen, welche eine weitere Gerade schneidet, die durch den Punkt e läuft und parallel zur Hypotenuse des bekannten Potierschen Dreiecks liegt. Der Schnittpunkt d ist dann der Punkt der Charakteristik D, welche eigentlich die Charakteristik des Generators bei der Belastung ist, gemäß der Beziehung E_g · (I + h) = konstant. Bei der Konstruktion weiterer Punkte muß darauf Bedacht genommen werden, daß die Neigung der Geraden #fli nicht konstant ist, sondern sich ändert, und zwar derart, daß sie im Knie der Charakteristik am größten ist, zu den beiden Enden sich stetig vermindert, bis- sie im Anfangs bei voller Sätttigung gleich Null ist. Der Schnittp'unkt der Charakteristik Z) mit der Abszissenachse ergibt sich durch Projektion des Scheitels der Hyperbel mittels eines waagerechten Strahles auf die Charakteristik« und von hier aus durch einen schiefen Strahl auf die Abszissenachse. Die Neigungen der Geraden ed sind in Abb. 1 parallel zwecks Vereinfachung der Darstellung. Nur bei einer kompensierten Dynamomaschine mit unterdrückter Querreaktion des Ankers sind die GeradenßiZ im ganzen Be-. reich der Charakteristik lotrecht.

" Die Ordinaten der Hyperbel N_p stellen die elektromotorische Kraft E_g des Hauptgenerators G, die Abszissen die Gesamtströme (7 ~\- Ib) (Arbeits- und Erregerstrom) des Generators dar. Für die elektromotorische ioo Kraft Eg gilt bei der Hyperbel N_p derselbe Mäßstab wie in den nebenanliegen den Charakteristiken. Der Gesamtstrom (/ -j- Ib) dagegen wird im Maßstab des in der Ankerwicklung auftretenden Spannungsabfalles R₁, (I-\-Ib) in das Koordinatensystem der Hyperbel eingetragen. Die gleichseitige Hyperbel N_p wird also nicht für den Wert Eg (I -j- h) = konstant, sondern für den Wert EgRg (/-(-/5)= konstant konstruiert, was bei Rg = konstant auf dasselbe hinauskommt.

Die Werte R_g (I-\-Ib) liegen alsdann bei der Hyperbel auf der Abszisse, bei den anderen Charakteristiken aber auf der Ordinate. Demzufolge müssen -die Werte einzelner Punkte, z.B. g, der Hyperbel vorher mit Hilfe eines unter 45° geneigten Strahles auf die senkrechte Hyperbelasymptote (Punkt h) und dann weiter in waagerechter Richtung in das Koordinatensystem der Charakteristiken iao (Punkt d) projiziert werden. Man muß also die Abszissen R_e (7-j- h) von der waagerech-

■ i liiii

ten Lage der Hyperbel in die senkrechte Lage für die Charakteristiken bringen. Auf diese Weise ist die Belastungscharakteristik Z) des Hauptgenerators G punktweise zu konstruieren, was natürlich nur innerhalb eines bestimmten Bereiches zutrifft, der jedoch für die praktischen Verhältnisse völlig genügt, soweit die Theorie des sog. Botierschen Dreiecks def richtig ist.

ίο Die Katheter/ des Potierschen Dreiecks ist die entmagnetisierende Ankerrückwirkung des Generators G. Die senkrechte Kathete df stellt den Ohmschen Spannungsabfall R_g (I-\-Ib) dar. Die Entmagnetisierung ef hängt nicht nur mit dem Ankerstrom (7 -J- Ib) zusammen, sondern auch mit der mittleren magnetischen Sättigung des Generators, d. h. mit der Lage des Punktest auf der Leerlauf charakteristik ti. Nach der Theorie der Gleichstrommaschine ist die entmagnetisierende Ankerrückwirkung am größten, wenn die mittlere magnetische Sättigung im Luftspalt dem Knie der Leerlaufcharakteristik entspricht, und nimmt von hier aus in beiden Richtungen der Charakteristik gleichmäßig bis zu Null ab. Es ändert sich also nicht nur die Größe des Potierschen Dreiecks def, sondern auch die Form desselben mit der Lage des Punktes .2 auf der Leerlaufcharakteristik, und zwar erfolgt die Änderung derart, daß die Neigung der Hypothenuseufe im Knie der Charakteristik am größten ist und in beiden Richtungen abnimmt. Die Richtung des Strahles die ist also von Punkt zu Punkt der Charakteristik« nicht konstant, wie dies lediglich aus Gründen der Einfachheit in der Abb. 1 dargestellt ist, wo die Neigungen des Strahlest für die eingezeichneten Übertragungen zueinander parallel gewählt sind.

Der wirkliche Verlauf des Arbeitsstromes/ bei den Bedingungen E₈ (I -J- h) = N_n = konstant ergibt sich im dargestellten Diagramme, wenn von der lotrechten Strecke df — Rg(I -\-Ib) des Ohmschen Spannungsabfalles im Anker der Spannungsabfall R_gIi, des Magnetisierungsstromes im Anker abgezogen wird. Der Rest der Strecke bedeutet dann schon den Ohmschen Spannungsabfall RgI im Anker durch den Arbeitsstrom und, da Rg = konstant, im anderen Maßstabe den Arbeitsstrom/ selbst. Auf diese Weise kann die Kurve u konstruiert werden, die den Verlauf des Arbeitsstromes/ bei verschiedener Belastung des Generators darstellt. Die Werte/ werden als lotrechte Entfernungen des Schnittpunktes der Kurven ti und ti mit dem Strahl ed entnommen. Die Kurve u schneidet die Charakteristik η in einem Punkte, welcher die Belastung anzeigt, bei der die ganze Leistung N_n im Nebenschluß des Generators verbraucht werden würde und der Arbeitsstrom gleich Null wäre. In der Praxis gelangt man allerdings nicht bis in diesen Zustand.

Die Charakteristik D hat eine sehr ähnliche Form wie die Leerlauf charakteristik 11 und kann gut durch die Summe des Widerstandsstrahles R₃ und der Magnetisierungskurve einer- Zusatzmaschine zum Ausdruck gebracht werden, die mit dem Nebenschlußerregerkreis der Hauptdynamomaschine in Reihe geschaltet ist. Da dieser Widerstandsstrahl im Punkte 0 seinen Anfang haben soll, muß der Hauptgenerator mit einer Zusatzfremderregung ausgestattet werden, deren Strom I_n die Charakteristik ti nach links um die Länge Cl_n verschiebt, die der Entfernung zwischen den Schnittpunkten der Charakteristiken/z und D mit der Abszissenachse gleich ist.

Die entsprechende Schaltung ist im Schema in Abb. 2 dargestellt. G ist der Hauptgenerator, Rd die Nebenschlußerregerwicklung und R_n die Zusatzerregerwicklung des Generators. M₁ und M₂ sind die als Antriebsmotoren dienenden Reihenschlußmotoren, 5 die Hilfsmaschine, die in den Nebenschlußerregerkreis des Hauptgenerators eingeschaltet ist. Diese HUfsmaschine ist eine Reihenschlußmaschine, da ihre elektromotorische Kraft zu den Ohmschen Spannungsabfällen in den Widerständen zugezählt wird, ist sie eigentlich ein Reihenschlußmotor. Sie ist mittels gemeinsamer Welle oder durch eine Übersetzung mit dem Hauptgenerator G mechanisch gekuppelt, so daß sie ebenfalls eine konstante Drehzahl aufweist. Die elektrische Energie, welche diese Maschine scheinbar verbraucht, ändert sich in ihr in eine mechanische Energie und wird wieder in Form eines positiven Drehmomentes auf die Generatorwelle zurückgegeben, so daß durch die HUfsmaschine S nur deren eigene Verluste entstehen.

Durch den Anker und die Feldwicklung der HUfsmaschine S fließt der Erregerstrom Ib des Hauptgenerators. Die elektromotorische Kraft des Motors hängt also vom Strom Ib ab und ist zu den' Ohmschen Spanmmgsabfällen/^s/n in der eigenen Wicklung und zu den Spannungsabfällen (Ra -J- Rg) Ib in der Generatorwicklung hinzuzuzählen, wodurch sich die resultierende Charakteristik D ergibt. Diese Summencharakteristik verläuft zwar nicht in die waagerechte Asymptote wie die theoretische Kurve D, sondern in eine Asymptote, welche mit dem Strahl (Rd-\-Rg-{-Rs) parallel ist, und schneidet also die Leerlauf charakteristik ti des Generators. Dies bringt jedoch keinen Nachteil mit sich; denn beide Maschinen G und S arbeiten ohnedies im empfindlichen Bereich ihrer Charakteristiken, nämlich beim Knie, wo dieser Einfluß sich noch nicht zeigt.

; Außerdem ist es jedoch notwendig, daß. beide

058263

Charakteristiken sich in bezug auf den Leerlauf des Generators bei ausgeschalteten Antriebsmotoren schneiden, wenn man dabei nicht auch den Nebenschluß des Hauptgenerators unterbrechen will.

Der Maschinensatz auf dem Fahrzeuge erfordert jedoch auch, daß das Fahrzeug auch bei anderer Umdrehungszahl und anderen Leistungen auf den einzelnen Fahrstufen, die ίο von Hand aus vom Führer eingestellt werden, laufen kann. Obwohl der Verbrennungsmotor nur bei einer Umdrehungszahl und einer Leistung, für die auch die Hilfsmaschine 5 bemessen wird, am wirtschaftlichsten läuft, ist es erwünscht, daß der Verbrennungsmotor auch bei den übrigen Fahrtstufen womöglich mit konstanter Umdrehungszahl und konstanter, aber geänderter Leistung läuft. Für diese Zustände des Maschinensatzes wird die notwendige Form der Belastungscharakteristik D auf die gleiche Weise wie in Abb. 1 zum Ausdruck gebracht, und die Charakteristik der Hilfsmaschine S wird den abgeänderten Verhältnissen entweder durch Vorschalten eines Widerstandes R_x oder durch einen Nebenschluß zu der Reihens chlußer reger wicklung der Hilfsmaschine S, d. h. durch Feldschwächung, angepaßt. Mittels des Widerstandes R_x wird die Nebenschlußcharakteristik des Generators erhöht, durch die Feldschwächung abgeflacht. Diese beiden Mittel sind im Schema in Abb. 2 dargestellt. Die Widerstände werden gleichzeitig mit den Fahrtstufen umgeschaltet. Dabei muß sich allerdings auch die Hilfserregüng des Hauptgenerators ändern; dadurch verschiebt sich auch die Charakteristik/z waagerecht gegenüber der Charakteristik D und paßt sich so den geforderten Verhältnissen, an. Auf den übrigen Fahrtstufen brauchen die konstante Umdrehungszahl und die konstante Leistung nicht mehr so genau eingehalten werden wie auf der wirtschaftlichsten Hauptstufe.

Die Vorteile dieser Anordnung sind folgende:

4-5 Die Hilfsmaschine S wirkt als ein stetig sich ändernder Widerstand im Nebenschlußerregerkreis des Hauptgenerators und paßt sich selbsttätig der Belastung des Maschinensatzes an, so daß der Generator selbsttätig zu dem konstanten Drehmoment des Verbrennungsmotors auch die konstante Drehzahl aufrechterhält. Eine empfindlichere Senkung oder ein empfindlicherer Aufstieg ist bei unveränderlichem Arbeitsstrom nicht möglich; denn sie hätten einen Abfall oder einen Aufstieg des Drehmomentes des Generators gegenüber dem konstanten Drehmomente des Verbrennungsmotors zur Folge. Der Maschinensatz ist also von diesem Standpunkte aus vollkommen stabil.

Die Hilf smaschine 5 kann verhältnismäßig klein bemessen werden, und zwar um so kleiner, je größer die Drehzahl des Generators sein'wird; denn durch denselben fließt bloß der Magnetisierungsstrom des Generators bei einem Bruchteil der Klemmenspannung. .

Die Vorrichtung paßt sich leicht den verschiedenen Fahrtstufen an und erhält auch bei solchen entsprechende konstante Werte der Drehzahl und der Leistung.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Gleichstromnebenschlußgenerator für konstante Leistung bei konstanter Drehzahl mit einer der Nebenschlußerregerwicklung vorgeschalteten Gleichstromhilfsmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (G) eine zusätzliche Fremderregung (Rp) aufweist und die Hilfsmaschine (S) eine mit der Welle des Generators mechanisch gekuppelte Reihenschlußmaschine ist.

2. Regelung des Generators nach Anspruch ι auf andere Werte der konstant zu haltenden Leistung und Drehzahl, beispielsweise für die einzelnen Fahrtstufen bei einem brennkraftelektrisch angetriebenen Fahrzeug, gekennzeichnet durch gleichzeitige bzw. jeweilige Änderung der . Generatorfremderregung, des Vorschalt-Aviderstandes (Rx) im Stromkreis der Nebenschlußerregerwicklung (R_ä) sowie auch der Feldschwächung der Hilfsmaschine.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen