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Hilfsmaschinengruppe zum Anlassen, rekuperativen Bremsen und Erhöhen des Leistungsfaktors von 50 Perioden Einphasenkollektormotoren
Es sind bereits eine Anzahl von Schaltungen bekannt geworden, auf Grund deren mit Hilfe von einer oder mehreren rotierenden Hilfsmaschinen die Erregerwicklung des als Generator arbeitenden Einphasenkollektormotors derart gespeist wird, dass seine Spannung die für rekuperativeBremsung erforderliche Phasenlage erhält. Diese Hilfsmaschinen können z. B.. Phasenschieber sein, wie sie z. B. in den USA-Patentschriften Nr. 1, 448, 410 und Nr. 977, 641 und in der deutschen Patentschrift Nr. 470646 beschrieben sind.
Sie können z. B. auch Wechselstrom-Kollektorgeneratoren darstellen, wie z. B. gemäss USA-Patentschrift Nr. 1,287,016,gemäss der deutschen Patentschrift Nr. 745273 und der Schweizer Patentschrift Nr. 154015.
Alle bisher bekannten Lösungen besitzen aber folgende grosse Nachteile :
1) Die für die Nutzbremsung vorgeschlagenen Hilfsmaschinen sind für keinen andern Zweck brauchbar, wodurch ihre Wirtschaftlichkeit sehr stark herabgesetzt ist.
2) Sofern sie überhaupt eine Regelung der Grösse, sowie der Phasenlage der inneren Spannung des im Generatorbetrieb arbeitenden Fahrmotors erlauben, erfolgt diese weder in genügend breitem Bereich noch geniigend feinstufig. Letzterer Umstand kann zum Auftreten von bedeutenden Stromstärken führen, während ersterer Umstand es nicht ermöglicht, den gewünschten Leistungsfaktor zu erzielen.
Gegenstand der Erfindung ist eine Hilfsmaschinengruppe, die sämtliche der angeführten Nachteile beseitigt : einerseits kann sie ausser zum Bremsen auch bei der Traktion zum Verbessern des Leistungsfaktors verwendet werden und schliesslich beim Anlassen anstatt einer Drosselspule, oder zum Anlassen mit verringerter Frequenz. Anderseits ermöglicht sie, beim Bremsen eine stufenlose Änderung nicht nur der Grösse, sondernauch der Phasenlage der Generatprspannung zu erzielen, so dass nicht nur Stromstösse vollkommen vermieden werden, sondern auf Wunsch das Bremsen in bezug auf Wirk-und Blindleistung nach einer bestimmten Charakteristik selbsttätig erfolgt.
Die Erfindung geht aus von einer Hilfsmaschinengruppe zum Anlassen von 50 Perioden-EinphasenKollektormotoren. Die Erfindung besteht hiebei im wesentlichen darin, dass die Hilfsmaschinengruppe aus
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spulen angeordnet sind, durch welche mit Hilfe einer, mittels Gleichströmen verschiedener Grösse und Richtung erfolgenden Erregung die Richtung des resultierenden magnetischen Flusses der betreffenden Maschine, bezogen auf den Fluss der andern Maschine, innerhalb weiter Grenzen veränderbar ist. Durch die erfindungsgemässe Massnahme von den beiden Synchronmaschinen die eine parallel zumNetz. die andere parallel zur Erregerwicklung des Fahrmotors zu schalten, wird eine stufenlose Regelbarkeit des Fahrmotorflusses und der Phasenrichtung der im Rotor auftretenden elektromotorischen Kraft innerhalb breiter Grenzen erreicht.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Anordnung so getroffen, dass zur Erregung des Fahrmotorflusses auch der Belastungsstrom des Fahrmotors ausgenützt ist.
Durch die erfindungsgemässe Schaltung wird es möglich. die Richtung und die Grösse des Fahrmotor-
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flusses gemäss einer derartigen Gesetzmässigkeit zu ändern, dass die Fahrmotoren eine Bremsung bei ausreichendem Drehmoment und entsprechendem Leistungsfaktor vornehmen können. Darüber hinaus wird es aber auch möglich, die Richtung und Grösse des Fahrmotorflusses derart zu ändern, dass nicht nur beim Bremsen, sondern auch bei der Traktion ein entsprechender Leistungsfaktor auftritt.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Schaltung einer erfindungsgemässen Hilfsmaschinengruppe schematisch dargestellt.
Fig. 1 zeigt hiebei ein Schaltschema, Fig. 2 ein Detail und Fig. 3 ein Zeigerdiagramm.
Gemäss Fig. 1 besteht die erfindungsgemässe Hilfsmaschinengruppe aus zwei miteinander fest gekuppelten Synchronmaschinen 1 und 2, von welchen zumindest in der einen an Stelle der üblichen einzigen Erregerwicklung zwei, in einem Winkel zueinander angeordnete, in Fig. 2 beispielsweise senkrecht zueinander stehende Erregerspulen a und b angeordnet sind, wobei durch die mit Hilfe von verschiedenen, bezüglich Richtung und Grösse regelbaren Strömen erfolgende Erregung, die Flussrichtung der betreffenden Maschine im Vergleich zum Fluss der andern Maschine, nach Belieben und stufenlos geändert werden kann.
Erfindungsgemäss ist die eine, mit 1 bezeichnete der beiden Maschinen dem Netz, die zweite, 2, der Erregerspule 4 des Fahrmotors 3 parallel geschaltet, welche letztere mit Hilfe der Schalter K,, K,, K-, K in verschiedener Weise geschaltet werden kann, z. B. so, dass der Belastungsstrom I in der einen oder der andern Richtung hindurchfliesst, oder aber auch so, dass kein Stromdurchfluss erfolgt. Zweifellos muss aber im Sinne des zweiten Kirchhorfschen Gesetzes bei irgendeiner beliebigenSchaltung dieStromverteilung solcherart sein, dass die induktive Spannung der Spule 4 mit der Spannung der Maschine 2 hinsichtlich ihrer Richtung und Grösse zusammenfällt.
Dies bedeutet weiters, dass die Erfindung die Möglichkeit bietet. bei den verschiedensten Schaltungen des Fahrmotors die Grösse und Phasenlage des Fahrmotorflusses und eben hiedurch bei gegebener Geschwindigkeit, die Grösse und Phasenlage der in der Motorarmatur durch die Drehung induzierten elektromotorischen Kräfte mit Bezug auf die Spannung U stufenlos so zu regeln, dass optimale Betriebsverhältnisse entstehen.
Das oben Ausgeführte wird eingehender an Hand der folgenden Beispiele erläutert :
Es sei angenommen, dass ein rekuperatives Bremsen u. zw. auf die Weise gewährleistet werden soll, dass bei der bis zu einer Minimalgeschwindigkeit erfolgenden Verminderung der Geschwindigkeit der Leistungsfaktor bei Konstanz der Bremskraft immer gleich 1 sei.
Dies bedeutet also, dass auf der auf Grund vereinfachender Annahmen gezeichneten Fig. 3 der Vektor a-b des Stromes I von konstanter Grösse und von einer Richtung zu sein hat, die dem Vektor a-c der Fahrmotorspannung U entgegengesetzt ist. Hiezu ist nötig, dass die durch den Fluss W der Spule 4 zwischen den Bürsten 5 und 6 induzierte elektromotorische Kraft E, d. h. also der Vektor c-d, jener Spannung gleich zu sein hat, welche entsteht, wenn man von der Spannung U den durch den Fluss $ in der Spule 4 hervorgerufenen, dem Vektor e-d entsprechenden induktiven Spannungsabfall und jene dem Vektor a-e entsprechende induktive Spannung geometrisch abzieht, welche durch die Streuungsreaktanz des Stromes I entsteht.
Zur Lösung dieser Aufgabe genügt es, wenn dem Vektor e-d, d. h. dem mit demselben zusammenfallenden Spannungsvektor der Synchronmaschine 2, im Sinne der Erfindung durch entsprechende Erregung der Spulen A und B die erwünschte Phasenrichtung und durch Regelung der Grösse desErregerflusses der Synchronmaschine 2 die erwünschte Grösse verliehen wird.
Bei Erfüllung obiger Bedingung kann man sich verschiedenartige Stromverteilungen vorstellen, welche bereits von den konkreten Schaltungen abhängig sind und bei welchen der Strom der Synchronmaschine 2 verschiedenartig sein. kann. Werden z. B. die Schalter Kl und K2 aus-und die Schalter K, und K4 eingeschaltet, so wird der ganze Strom der Spule 4 durch die Synchronmaschine 2 geliefert und es wird diese Stromstärke der Länge des Vektors e-d proportional und, was die Richtung anbelangt, zu derselben senkrecht sein.
Wird angenommen, dass K. und K4. in eingeschaltetem, demgegenüber K und K in ausgeschaltetem Zustand sind, ruft der Strom I die Komponente c-f des Vektors c-d und die Komponente e-g des Vektors e-d hervor, d. h. der Strom der Synchronmaschine 2 wird dem Vektor d-g proportional und zu demselben senkrecht sein. In beiden Fällen kann, wenn der Vektor c-d sich mit der Geschwindigkeit zusam- men vermindert und sich gleichzeitig die Spannung U, d. h. der Vektor a-c am Transformator der Loko- motive vermindert, durch Regelung der Grösse und Phasenlage der Spannung der Synchronmaschine 2 erreicht werden, dass die Werte des Drehmomentes und des Leistungsfaktors praktisch konstant bleiben.
Als Beispiel ist noch folgende Möglichkeit zu erwähnen :
Werden die Schalter K und K ein-, und die Schalter Kl und K4 ausgeschaltet, kehrt der Vektor des Stromes, gemäss dem Vektor a-b, auf die Spannung U bezogen, seine Richtung um. Gleichzeitig kehrt
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auch der Vektor a-e seine Richtung um und weiters auch der durch den Fluss hervorgerufene induktive Spannungsabfall mit Bezug auf die elektromotorische Kraft E.
In diesem Falle erhält man an Stelle der Vektoren a-e, e-d, c-d und g-d die Vektoren a-e', e'-d', c-d'und g'-d'. Dies bedeutet, dass, falls die Spannung der Synchronmaschine 2 so geregelt wird, dass dieselbe. mit dem Vektor e'-d'zusammenfällt, in der Synchronmaschine 2 ein dem Vektor g'-d'proportionaler und zu demselben um 900 phasenverschobener Strom entsteht, so dass der Leistungsfaktor des Fahrmotors wiederum gleich 1 wird, nur ist in diesem Falle nicht von Bremsen, sondern von Traktion die Rede.
Naturgemäss kann die Abhängigkeit der erwünschten Grösse und Phasenrichtung des Vektors E von der Geschwindigkeit auch automatisch erreicht werden, falls die Spannung der Erregerspulen A und B entsprechend geregelt wird.
Da, wie bereits ausgeführt, im Sinne des Kirchhoffschen Gesetzes der durch den Fluss des Fahrmotors hervorgerufene induktive Spannungsabfall immer gleich der Spannung des Synchrongeneratcrs ist, ist es auch beim Anlassen möglich, den erwähnten Spannungsabfall, also die Grösse des Flusses, einfach und nach Belieben durch Regelung des Erregerstromes des Synchrongenerators zu regeln. Auf diese Weise kann man jenes Ergebnis erzielen, welches bis jetzt bloss durch eine der Erregerspule parallel geschaltete besondere Drosselspule u. zw. einstufig, 4. h. stossartig erreicht werden konnte : nämlich beim Anlassen den Fluss und gleichzeitig die transformatorische Funkenspannung zu vermindern. Erfindungsgemäss kann man dieses Ergebnis ohne besondere Drosselspule und dazu vollkommen stufenlos erreichen.
Ferner ist es offensichtlich möglich, bei Traktion den Generator 2 als Phasenkompensator zur Erzielung eines guten Leistungsfaktors zu benützen. Zu diesem Zwecke ist es notwendig, das Verhältnis der Ströme in den Wicklungen A und B derart zu regeln, dass die Phase der Spannung des Generators 2 eine derartige Lage erhält, bei welcher der Generator 2- parallel zur Synchronmaschine 1 an das Netz geschaltet werden kann, worauf beide Synchronmaschinen auf den Betrieb mit Übererregung eingestellt werden können.
Es ist schliesslich möglich, beim Anlassen den, Generator 2 nach der Umschaltung auf halbe Poizahl zur Speisung der Fahrmotoren mit 25-Periodenstrom und halber transformatorischer Funkenspannung zu verwenden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hilfsmaschinengrüppe zum Anlassen von 50-Perloden-Einphasen-Kollektormotoren, rekuperativen Bremsen und Erhöhen des Leistungsfaktors, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus zwei gekuppelten Synchronmaschinen besteht, von welchen zumindest in der einen an Stelle einer einzigen Erregerspule zwei miteinander einen Winkel bildende, z. B. senkrecht zueinander stehende Erregerspulen angeordnet sind, durch welche mit Hilfe einer mittels Gleichströmen verschiedener Grösse und Richtung erfolgenden Erregung die Richtung des resultierenden magnetischen Flusses der betreffenden Maschine, bezogen auf den Fluss der andern Maschine, innerhalb weiter Grenze veränderbar ist und dass von den beiden Synchronmaschinen die eine dem Netz, die andere der Erregerspule des Fahrmotors parallel geschaltet ist.