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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.
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Auxiliary machine group for starting, regenerative braking and increasing the power factor of 50 cycle single-phase collector motors
A number of circuits have already become known, on the basis of which the excitation winding of the single-phase collector motor working as a generator is fed with the help of one or more rotating auxiliary machines in such a way that its voltage receives the phase position required for regenerative braking. These auxiliary machines can, for. B. be phase shifter, as they are z. B. in U.S. Patents No. 1, 448, 410 and No. 977, 641 and in German Patent No. 470646.
You can e.g. B. also represent alternating current collector generators, such. B. according to USA patent specification No. 1,287,016, according to German patent specification No. 745273 and Swiss patent specification No. 154015.
However, all previously known solutions have the following major disadvantages:
1) The auxiliary machines proposed for regenerative braking cannot be used for any other purpose, which greatly reduces their profitability.
2) If they allow the size and the phase position of the internal voltage of the traction motor working in generator mode to be regulated at all, this is neither done in a sufficiently wide range nor in sufficiently fine steps. The latter circumstance can lead to the occurrence of significant currents, while the former does not make it possible to achieve the desired power factor.
The subject of the invention is an auxiliary machine group that eliminates all of the disadvantages mentioned: on the one hand, it can be used not only for braking but also for traction to improve the power factor and finally for starting instead of a choke coil, or for starting with a reduced frequency. On the other hand, it makes it possible to achieve a stepless change not only in the size but also in the phase position of the generator voltage when braking, so that not only current surges are completely avoided, but, if desired, braking takes place automatically in relation to active and reactive power according to a certain characteristic.
The invention is based on an auxiliary machine group for starting 50 period single-phase collector motors. The invention consists essentially in the fact that the auxiliary machine group consists of
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Coils are arranged through which, with the aid of an excitation carried out by means of direct currents of different sizes and directions, the direction of the resulting magnetic flux of the machine in question, based on the flux of the other machine, can be changed within wide limits. The measure according to the invention means that one of the two synchronous machines is parallel to the network. Switching the other parallel to the excitation winding of the traction motor enables the traction motor flux and the phase direction of the electromotive force occurring in the rotor to be continuously regulated within wide limits.
According to a preferred embodiment of the invention, the arrangement is made such that the load current of the traction motor is also used to excite the traction motor flux.
The circuit according to the invention makes it possible. the direction and size of the traction motor
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to change the flow according to such a law that the traction motors can brake with sufficient torque and a corresponding power factor. In addition, however, it is also possible to change the direction and magnitude of the traction motor flux in such a way that a corresponding power factor occurs not only when braking but also when traction.
An exemplary embodiment of the circuit of an auxiliary machine group according to the invention is shown schematically in the drawing.
1 shows a circuit diagram, FIG. 2 shows a detail and FIG. 3 shows a phasor diagram.
According to Fig. 1, the auxiliary machine group according to the invention consists of two firmly coupled synchronous machines 1 and 2, at least in one of which, instead of the usual single excitation winding, two excitation coils a and b, arranged at an angle to one another, for example perpendicular to one another in Fig. 2 are arranged, whereby by means of the excitation taking place with the help of different currents that can be regulated with respect to direction and magnitude, the direction of flow of the machine in question can be changed continuously and at will compared to the flow of the other machine.
According to the invention, one of the two machines, denoted by 1, is connected in parallel to the network, the second, 2, to the excitation coil 4 of the traction motor 3, which latter can be switched in various ways using switches K ,, K ,, K-, K , e.g. B. so that the load current I flows through it in one or the other direction, or so that no current flows through. Undoubtedly, in the sense of Kirchhorf's second law, the current distribution in any circuit must be such that the inductive voltage of the coil 4 coincides with the voltage of the machine 2 in terms of direction and magnitude.
This also means that the invention offers the possibility. With the most varied of circuits of the traction motor, the size and phase position of the traction motor flux and, at a given speed, the size and phase position of the electromotive forces induced in the motor armature by the rotation with reference to the voltage U to be continuously regulated so that optimal operating conditions are created.
The above is explained in more detail using the following examples:
It is assumed that regenerative braking and the like. zw. in such a way that it should be ensured that with the reduction of the speed down to a minimum speed the power factor is always equal to 1 if the braking force is constant.
This means that on FIG. 3, drawn on the basis of simplifying assumptions, the vector a-b of the current I must be of constant magnitude and in a direction which is opposite to the vector a-c of the traction motor voltage U. For this it is necessary that the electromotive force E induced by the flux W of the coil 4 between the brushes 5 and 6, i.e. H. i.e. the vector cd, which has to be equal to that voltage, which arises when the inductive voltage drop caused by the flux $ in the coil 4 and corresponding to the vector ed and the inductive voltage corresponding to the vector ae are geometrically subtracted from the voltage U, which caused by the leakage reactance of the current I.
To solve this problem it is sufficient if the vector e-d, d. H. the coincident voltage vector of the synchronous machine 2 in the sense of the invention is given the desired phase direction by appropriate excitation of the coils A and B and the desired size by regulating the size of the excitation flux of the synchronous machine 2.
If the above condition is met, one can imagine different types of current distributions which are already dependent on the specific circuits and in which the current of the synchronous machine 2 is different. can. Are z. B. the switches Kl and K2 off and the switches K and K4 switched on, then the entire current of the coil 4 is supplied by the synchronous machine 2 and this current intensity is proportional to the length of the vector ed and, as far as the direction is concerned, to same be perpendicular.
Assume that K. and K4. in the switched-on state, whereas K and K are in the switched-off state, the current I causes the component c-f of the vector c-d and the component e-g of the vector e-d, i.e. H. the current of the synchronous machine 2 will be proportional to the vector d-g and perpendicular to it. In both cases, if the vector c-d decreases with the speed and at the same time the voltage U, d. H. the vector a-c at the transformer of the locomotive is reduced, by regulating the magnitude and phase position of the voltage of the synchronous machine 2 it can be achieved that the values of the torque and the power factor remain practically constant.
The following possibility should be mentioned as an example:
If the switches K and K are switched on and the switches Kl and K4 are switched off, the vector of the current reverses its direction according to the vector a-b, based on the voltage U. At the same time returns
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also the vector a-e changes its direction and furthermore also the inductive voltage drop caused by the flux with reference to the electromotive force E.
In this case, instead of the vectors a-e, e-d, c-d and g-d, the vectors a-e ', e'-d', c-d'and g'-d 'are obtained. This means that if the voltage of the synchronous machine 2 is regulated so that the same. coincides with the vector e'-d, in the synchronous machine 2 a current which is proportional to the vector g'-d and is phase-shifted by 900 arises, so that the power factor of the traction motor is once again equal to 1, only in this case it is not of Braking, we're talking about traction.
Of course, the dependence of the desired size and phase direction of the vector E on the speed can also be achieved automatically if the voltage of the excitation coils A and B is regulated accordingly.
Since, as already stated, in the sense of Kirchhoff's law, the inductive voltage drop caused by the flux of the traction motor is always equal to the voltage of the synchronous generator, it is also possible when starting the voltage drop, i.e. the size of the flux, simply and at will To regulate the excitation current of the synchronous generator. In this way you can achieve that result, which until now only by a special choke coil connected in parallel to the excitation coil and. between one-stage, 4th h. could be achieved abruptly: namely to reduce the flux when starting and at the same time the transformer spark voltage. According to the invention, this result can be achieved without a special choke coil and in addition in a completely stepless manner.
Furthermore, it is obviously possible to use the generator 2 as a phase compensator in order to achieve a good power factor during traction. For this purpose it is necessary to regulate the ratio of the currents in the windings A and B in such a way that the phase of the voltage of the generator 2 is in such a position that the generator 2 can be connected to the network in parallel with the synchronous machine 1 , whereupon both synchronous machines can be set to operate with overexcitation.
Finally, when starting, it is possible to use generator 2 after switching to half the number of poles to supply the traction motors with 25-period current and half the transformer spark voltage.
PATENT CLAIMS:
1. Auxiliary machine group for starting 50-Perloden single-phase collector motors, recuperative braking and increasing the power factor, characterized in that it consists of two coupled synchronous machines, of which at least one instead of a single excitation coil, two forming an angle with each other, e.g. . B. mutually perpendicular excitation coils are arranged, through which the direction of the resulting magnetic flux of the machine in question, based on the flux of the other machine, can be changed within a wide limit with the help of an excitation carried out by means of direct currents of different sizes and directions and that of the two Synchronous machines one is connected in parallel to the mains, the other to the excitation coil of the traction motor.