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.
Thermal-electric vehicle drive For the thermal-electric drive of vehicles usually arrangements with direct current machines in Leonard circuit are used. However, if the generators of heat engines are very high speed, e.g. B. by gas turbines, are driven, DC machines are excluded as generators for greater power, because power conversion, power consumption, brush and commutator wear would cause great difficulties.
Although you could use synchronous generators with a downstream rectifier in such cases, difficulties can arise from the windings in the rotor as well as the slip rings and brushes.
The present invention avoids these difficulties in that the thermal power-electric vehicle drive has a thermal engine which is provided with a speed control device and drives a capacitor-excited asynchronous generator, which can be regulated in voltage in stages, which drives the rectifier for the DC traction motors feeds.
Capacitor-excited asynchronous generators are already known, but their use in thermal-electric drives for vehicles is a major technical advance. It is only through this particular choice of the alternator of a thermal-electric drive that the advantages can be used which are inherent in the use of very fast-running heat engines, such as. B. gas turbines, because a generator is available, which can be equipped with a winding and contactless full iron rotor and which can be built reliably for the large centrifugal forces.
The high frequency of the voltage occurring at the high speeds also has a favorable effect on the dimensions of the parallel capacitor required for the excitation and the intermediate transformer required to expand the voltage control range when starting up. The dimensions of the capacitor become 2 the smaller the higher the frequency becomes. Therefore, in the present case, it is advisable to run the generator and capacitor for medium frequency.
Since the traction motors are fed via rectifiers, normal DC motors can be used. The voltage supplied to the traction motors must be adapted to the speed according to the requirements of the driving operation. The required control range of the voltage can be achieved by changing the speed of the generator in a ratio of about 1: 2 by controlling the speed of the heat engine.
The additional requirements for the voltage control range can be achieved by star-delta switching of the generator winding or by a transformer connected between generator and rectifier, which can be switched in a few steps.
In the star-delta connection of the stator winding, the associated capacitors are expediently connected in parallel to each stator phase in one phase so that they always have the same effect regardless of the star-delta connection. Since the generator voltage can be reduced sufficiently by lowering the speed before switching to the next level, the level switches are almost de-energized so that simple level selectors can be used.
If necessary, a special load switch can be provided on the first or second side of the transformer. Because of the high operating frequency, the dimensions of the adapter are correspondingly small. You can therefore use the advantages of low expenditure for power generation given by the use of high speeds for the entire system and also have the advantage of high operational reliability because no open sliding contacts (commutators, slip rings, brushes) are required.
In addition, the arrangement meets all requirements with regard to the voltage control range. The accompanying figures show the essence of the invention even better: In FIG. 1, 1 denotes an asynchronous generator for high speeds with a solid rotor which is driven by a gas turbine 2.
The capacitor 3, which covers the reactive power requirement of the generator, lies parallel to the generator. The rectifier (dry rectifier) 5, from which the two traction motors (direct current series motors) 6 and 7 are fed, is connected via the intermediate converter 4, which can also be designed as an economy converter and whose second winding has taps.
The intermediate transformer 4 can be separated from the generator by a switch (load switch) 8, if this is necessary for switching the level of the second winding. The fuel supply to the gas turbine is controlled by an actuator 9, which can be influenced by the voltage by an upstream voltage regulator 10.
The arrangement works as follows: At a certain speed, the characteristics of the generator U ″ and the capacitor U ″, see FIG. 2, come to an intersection, and the generator is excited. With further increase in speed, the voltage increases somewhat more than in proportion to the speed (see FIG. 4).
With a correspondingly selected small tap of the second winding of the transformer 4, the traction motors 6 and 7 receive a suitable low voltage via the rectifier 5 so that they start up. By increasing the speed of the gas turbine 2, the voltage of the generator can be increased up to the permissible value, and the voltage on the traction engines increases with the transformer 4 in accordance with the selected gear ratio.
If the voltage on the traction motors is to be increased further, the speed of the turbine and thus also the generator voltage are initially reduced by reducing the fuel supply. Corresponding to the voltage reduction, the current of the motors also decreases, since these represent the @ # @ 'resistance value that remains the same for the respective speed.
This means that the switching conditions for the tap changer of the second winding d. -s Umspanners 4 very easily, especially because the current linked to the inductances (exciter windings) of the traction motors can continue to flow via the rectifier, so that the switches do not have to do any noteworthy switching work. By the switch 8 before the initial winding of the transformer 4, however, any switching work can be kept away from the tap changers.
After switching, the generator speed and voltage can be increased further until the range of this level has also been extended, and so it continues until the motors are under full voltage.
This method has the great advantage that the gas turbine and generator are only lightly loaded on the first starting stage, because the starting current of the motors, which may be quite high, only has to be applied by the generator according to the small starting transmission ratio of the transformer 4. The motor current is only transferred more strongly to the generator as the transmission ratio increases, but then the motor current has already decreased significantly in accordance with the speed-tractive force characteristic.
Accordingly, very favorable conditions are obtained for dimensioning the generator and the turbine. If the arrangement is also to be used for electrical braking, at least three branches of the rectifier would have to have controlled cells and the traction motors would have to be operated with external excitation.
If you control the setpoint of the voltage regulator upstream of the fuel regulator depending on the required generator voltage, the voltage fluctuations caused by the fluctuating load are automatically corrected. But you can also control the fuel supply depending on the ge desired traction motor current.
Figs. 2 to 4 can still better know the operation of the capacitor-excited asynchronous generator. U "denotes the open circuit voltage and U, the capacitor voltage over the absorbed reactive current Jb at a certain speed. Both intersect at point a. If the speed is increased by a certain amount, the characteristic U, falls to U '" and the characteristic U "rises to U" '. Both intersect at the higher point b.
3 also shows how the idling characteristic curve U "(intersection point a with the capacitor characteristic curve) merges into the load characteristic curve UB (intersection point c with UJ. The capacitor current J, now contains an idling component J,", and a loadab dependent reactive current component JbB. But you can see from this how you can increase the speed, ie
by creating a higher idle characteristic that can compensate for the voltage drop caused by the load. This is shown even more clearly by the characteristic curves in FIG. 4, which show the voltage versus the speed at different loads or different values of the resistance ratio Rn / R, where Rn is the ratio of nominal voltage to nominal active current and R is the variable load resistance. This shows how one can easily adapt the generator voltage to the respective load conditions by changing the speed.
The control of the speed control range of the traction motors by analogous interaction of speed control of the heat engine and gradual switching of the generator voltage with or without intermediate transformer can be achieved with the internal combustion electric vehicle drives, e.g. B. cars, compare usual operation.
The gear shift available there corresponds to the step changeover of the generator voltage, while the vehicle speed in the individual areas is influenced here and there by the fuel supply.
The arrangement according to the invention also enables perfect parallel operation of several generators. The generator to be connected in parallel remains connected to its parallel capacitor and is started up by its drive engine. Before it has even excited itself, it is connected to the generator that is already in operation. In this way, the field of the new generator immediately receives the correct phase position so that the voltages cannot be switched in the wrong phase position. This would be possible if the generator to be switched on had already excited before it was switched on. The even load distribution can then be produced by supplying fuel to the gas turbines.
The mains frequency is inevitably common for all machines working in parallel and corresponds to the rotation frequency of each machine less its slip frequency. As with every asynchronous machine, the slip frequency is very small and is determined by the voltage drop caused by the rotor current:
Even if the runner is designed as a solid runner, the slip frequency is not high because the full size of the air gap field penetrates the runner and therefore even small slip frequencies are sufficient to generate the required slip voltage. At the small slip frequencies, however, no current displacement phenomena can be noticeable because the penetration depth is more than sufficient.