Wärmekraftelektrischer Fahrzeugantrieb Für den wärmekraftelektrischen Antrieb von Fahr zeugen werden üblicherweise Anordnungen mit Gleichstrommaschinen in Leonardschaltung verwendet. Wenn jedoch die Generatoren von Wärmekraftmaschi- nen sehr hoher Drehzahl, z. B. von Gasturbinen, ange trieben werden, scheiden Gleichstrommaschinen als Generatoren für grössere Leistungen aus, weil Strom wendung, Stromabnahme, Bürsten- und Stromwender- verschleiss zu grosse Schwierigkeiten bereiten würden.
Man könnte zwar in solchen Fällen Synchrongenerato ren mit nachgeschaltetem Gleichrichter verwenden, doch können auch dabei sowohl durch die Wicklungen im Läufer als auch durch die Schleifringe und Bürsten Schwierigkeiten entstehen.
Durch die vorliegende Erfindung werden diese Schwierigkeiten dadurch vermieden, dass der wärme kraftelektrische Fahrzeugantrieb eine Wärmekraftma- schine aufweist, die mit einer Drehzahlsteuereinrich- tung versehen ist und einen kondensatorerregten, in der Spannung stufenweise regelbaren Asynchrongene- rator antreibt, der die Gleichrichter für die Gleichstrom fahrmotoren speist.
Kondensatorerregte Asynchrongeneratoren sind bereits bekannt, jedoch wird durch ihre Verwendung in wärmekraftelektrischen Antrieben von Fahrzeugen ein grosser technischer Fortschritt erzielt. Erst durch diese bestimmte Wahl des Wechselstromgenerators eines wärmekraftelektrischen Antriebes werden die Vorteile nutzbar, die in der Verwendung sehr schnell laufender Wärmekraftmaschinen, wie z. B. Gasturbinen, liegen, weil ein Generator zur Verfügung steht, der mit einem wicklungslosen und kontaktlosen vollen Eisenläufer ausgestattet sein kann und der sich für die grossen Fliehkräfte betriebssicher bauen lässt.
Die bei den ho hen Drehzahlen auftretende hohe Frequenz der Span nung wirkt sich ferner günstig auf die Abmessungen des für die Erregung erforderlichen Parallelkondensators und des zur Erweiterung des Spannungssteuerbereiches beim Anfahren etwa benötigten Zwischenumspanners aus. Die Abmessungen des Kondensators werden um 2 so kleiner, je höher die Frequenz wird. Daher ist es im vorliegenden Fall zweckmässig, Generator und Kon densator für Mittelfrequenz auszuführen.
Da die Fahrmotoren über Gleichrichter gespeist werden, können dafür normale Gleichstrombahnmotoren verwendet werden. Die den Fahrmotoren zugeführte Spannung ist entsprechend den Anforderungen des Fahrbetriebes der Drehzahl anzupassen. Den erforder lichen Steuerbereich der Spannung kann man einmal dadurch erzielen, dass man durch die Drehzahlsteu erung der Wärmekraftmaschine die Drehzahl des Gene- rators etwa im Verhältnis 1:2 verändert.
Die darüber hinausgehenden Anforderungen an den Spannungssteu- erbereich können durch Stern-Dreieck-Umschaltung der Generatorwicklung oder durch einen zwischen Generator und Gleichrichter geschalteten Umspanner erreicht werden, der in einigen wenigen Stufen geschal tet werden kann.
Bei der Stern-Dreieck-Schaltung der Ständerwicklung werden zweckmässig jeder Ständer phase die zugehörigen Kondensatoren einphasig paral- lesl geschaltet, so dass sie unabhängig von der Stern- Dreieck-Schaltung stets die gleiche Wirkung haben. Da man vor dem Weiterschalten auf die nächste Stufe die Generatorspannung durch Herabsetzen der Drehzahl genügend weit verringern kann, schalten die Stufen schalter nahezu stromlos, so dass man dafür einfache Stufenwähler verwenden kann.
Erforderlichenfalls kann noch ein besonderer Lastschalter auf der Erst ader Zweitseite des Umspanners vorgesehen wenden. Wegen der hohen Betriebsfrequenz werden auch die Abmessungen des Zwische.numspanners -entsprechend klein. Man kann daher für die ganze Anlage die durch die Verwendung hoher Drehzahlen gegebenen Vorteile eines kleinen Aufwandes für die Stromerzeugung aus nutzen und hat ausserdem den Vorteil einer hohen Betriebssicherheit, weil keine offenen Schleifkontakte (Stromwender, Schleifringe, Bürsten) benötigt werden.
Ausserdem erfüllt die Anordnung alle Anforderungen hinsichtlich des Spannungs-Steuerbereiches. Die beigefügten Figuren lassen das Wesen der Er findung noch besser erkennen: In Fig.1 bezeichnet 1 einen Asynchrongenerator für hohe Drehzahlen mit einem Massivläufer, der von einer Gasturbine 2 angetrieben wird.
Parallel zum Generator liegt der Kondensator 3, der den Blindlei- stungsbedarf des Generators deckt. über den Zwi- schenumspanner 4, der auch als Sparumspanner ausge führt werden kann und dessen Zweitwicklung Anzap- fungen aufweist, ist der Gleichrichter (Trockengleich richter) 5 angeschlossen, von dem die beiden Fahrmo toren (Gleichstrom-Reihenschlussmotoren) 6 und 7 gespeist werden.
Durch einen Schalter (Lastschalter) 8 kann der Zwischenumspanner 4 vom Generator getrennt werden, wenn dies für die Stufenumschaltung der Zweit wicklung erforderlich ist. Die Brennstoffzufuhr der Gasturbine wird durch einen Steller 9 gesteuert, der durch einen vorgeschalteten Spannungsregler 10 von der Spannung beeinflusst werden kann.
Die Anordnung wirkt folgendermassen: Bei einer bestimmten Drehzahl kommen die Kennlinien des Ge- nerators U" und des Kondensators U" vergl. Fig. 2 zum Schnitt, und der Generator erregt sich. Bei weite rer Steigerung der Drehzahl steigt die Spannung etwas mehr als verhältnisgleich mit der Drehzahl (vergl. Fig. 4).
Bei entsprechend gewählter kleiner Anzap- fung der Zweitwiclung des Umspanners 4 erhalten die Fahrmotoren 6 und 7 über den Gleichrichter 5 eine geeignete kleine Spannung, so dass sie anfahren. Durch Steigerung der Drehzahl der Gasturbine 2 kann die Spannung des Generators bis zum zulässigen Wert ge steigert werden, und die Spannung an den Fahrmoto ren steigt entsprechend der gewählten übersetzungsstu- fe am Umspanner 4 mit.
Soll die Spannung an den Fahrmotoren weiter ge steigert werden, so werden zunächst durch Verminde rung der Brennstoffzufuhr die Drehzahl der Turbine und damit auch die Generatorspannung zurückgenom men. Entsprechend der Spannungsherabsetzung geht auch der Strom der Motoren zurück, da diese einen der jeweiligen Drehzahl entsprechenden gleichbleiben den @#@'iderstandswert darstellen.
Damit werden die Schaltbedingungen für die Stufenschalter der Zweit wicklung d. -s Umspanners 4 sehr leicht, namentlich auch deswegen, weil der mit den Induktivitäten (Erreger wicklungen) der Fahrmotoren verkettete Strom über die Gleichrichter weiterfliessen kann, so dass die Schalter keine nennenswerte Schaltarbeit zu leisten brauchen. Durch den Schalter 8 vor der Erstwicklung des Umspanners 4 kann aber den Stufenschaltern jegli che Schaltarbeit ferngehalten werden.
Nach dem Um schalten können Generatordrehzahl und -Spannung weiter gesteigert werden, bis der Bereich auch dieser Stufe ausgefahren ist, und so geht es weiter, bis die volle Spannung an den Motoren herrscht.
Dieses Verfahren hat den grossen Vorteil, dass Gasturbine und Generator auf der ersten Anlassstufe nur schwach belastet sind, weil der unter Umständen recht hohe Anfahrstrom der Motoren nur entsprechend dem kleinen Anfahrübersetzungsverhältnis des Um spanners 4 vom Generator aufgebracht werden muss. Erst mit zunehmendem übersetzungsverhältnis wird der Motorstrom stärker auf den Generator übertragen, aber dann ist auch der Motorstrom entsprechend der Geschwindigkeit-Zugkraft-Kennlinie bereits stark zu rückgegangen.
Man erhält demnach für die Bemessung des Generators und der Turbine sehr günstige Bedin- gungen. Falls mit der Anordnung auch elektrisch ge bremst werden soll, müssten mindestens drei Zweige des Gleichrichters gesteuerte Zellen erhalten, und die Fahrmotoren müssten mit Fremderregung betrieben werden.
Wenn man den Sollwert des dem Brennstoffsteller vorgeschalteten Spannungsreglers je nach der ge wünschten Generatorspannung steuert, werden die von der schwankenden Belastung verursachten Spannungs schwankungen selbsttätig ausgeregelt. Ebenso kann man aber auch die Brennstoffzufuhr je nach dem ge wünschten Fahrmotorstrom steuern.
Die Fig. 2 bis 4 lassen noch die Arbeitsweise des kondensatorerregten Asynchrongenerators besser er kennen. U" bezeichnet die Leerlaufspannung und U, die Kondensatorspannung über dem aufgenommenen Blindstrom Jb bei einer bestimmten Drehzahl. Beide schneiden sich im Punkt a. Wird die Drehzahl um ei nen bestimmten Betrag erhöht, so fällt die Kennlinie U, nach U'" und die Kennlinie U" steigt nach U"'. Beide schneiden sich im höher gelegenen Punkt b.
Fig. 3 zeigt noch, wie bei gleichbleibender Drehzahl die Leerlaufkennlinie U" (Schnittpunkt a mit der Konden- satorkennlinie) in die Belastungskennlinie UB (Schnitt punkt c mit UJ übergeht. Der Kondensatorstrom J, enthält jetzt einen Leerlaufanteil J,", und einen lastab hängigen Blindstromanteil JbB. Mann erkennt aber daraus, wie man durch Erhöhung der Drehzahl, d. h.
durch Herstellen einer höher gelegenen Leerlaufkennli- nie, den durch die Belastung bewirkten Spannungsab fall ausgleichen kann. Dies zeigen noch deutlicher die Kennlinien in Fig. 4, die die Spannung über der Dreh zahl bei verschiedenen Belastungen bzw. verschiedenen Werten des Widerstandsverhältnisses Rn/R darstellen, wobei Rn das Verhältnis von Nennspannung zu Nenn wirkstrom und R den veränderlichen Belastungswider stand bedeuten. Man erkennt daraus, wie man die Generatorspannung durch Änderung der Drehzahl leicht den jeweiligen Belastungsverhältnissen anpassen kann.
Die Beherrschung des Dre_hzahlsteuerbereiches der Fahrmotoren durch sinngemässes Zusammenwirken von Drehzahlsteuerung der Wärmekraftmaschine und stufenweises Umschalten der Genemtorspannung mit oder ohne Zwischenumspanner lässt sich mit der bei brennkraftelektrischen Fahrzeugantrieben, z. B. Kraft wagen, üblichen Betriebsweise vergleichen.
Der dort vorhandenen Getriebegangschaltung entspricht hier die Stufenumschaltung der Generatorspannung, während die Fahrzeuggeschwindigkeit in den einzelnen Berei chen hier wie dort durch die Brennstoffzufuhr beein- flusst wird.
Die erfindungsgemässe Anordnung ermöglicht auch ein einwandfreies Parallelarbeiten mehrerer Generato ren. Der parallel zu schaltende Generator bleibt mit seinem Parallelkondensator verbunden und wird von seiner Antriebsmaschine hochgefahren. Bevor er sich noch selbst erregt hat, wird er mit dem bereits in Be trieb befindlichen Generator zusammengeschaltet. Auf diese Weise erhält das Feld des neuen Generators gleich die richtige Phasenlage, so dass nicht in falscher Phasenlage der Spannungen geschaltet werden kann. Dies wäre möglich, wenn sich der zuzuschaltende Ge nerator bereits vor dem Zuschalten erregt hätte. Die gleichmässige Lastverteilung kann dann durch die Brennstoffzufuhr der Gasturbinen hergestellt werden.
Die Netzfrequenz ist zwangsläufig für alle parallel ar- beitenden Maschinen gemeinsam und entspricht der Drehungsfrequenz jeder Maschine vermindert um de ren Schlupffrequenz. Die Schlupffrequenz ist wie bei jeder Asynchronmaschine sehr klein und ist durch den vom Läuferstrom verursachten Spannungsabfall be stimmt:
Auch wenn der Läufer als Massivläufer ausge führt wird, ist die Schlupffrequenz nicht gross, weil das Luftspaltfeld in voller Grösse den Läufer durchsetzt und daher schon kleine Schlupffrequenzen genügen, um die erforderliche Schlupfspannung zu erzeugen. Bei den kleinen Schlupffrequenzen können sich aber keine Stromverdrängungserscheinungen bemerkbar machen, weil die Eindringtiefe mehr als ausreichend ist.