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Verfahren, insbesondere für elektrische Bahnen, zum Anlassen und Bremsen
mit Energierückgewinnung unter Verwendung eines Differentialgetriebes.. Es ist bekannt,
für dien Antrieb einer Last ein Differentialgetriebe zu benutzen, dessen Seitenräder
durch Elektromotoren regelbarer Geschwindigkeit in gleichem oder verschiedenem Sinne
in Gang gesetzt werden, wobei ein Motor unter Umständen als Generator laufen kann.
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Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren, insbesondere für Anwendung
auf elektrisch betriebenen Bahnen, bei welchem durch eine bestimmte Reihe von aufeinanderfolgenden
Schaltungen der Anker und Feldmagnete von mindestens einem Paar von Motorgeneratoren.,
die durch ein, die mechanische Energie übertragendes Differentialgetriebe miteinander
verbuü-lden. sind, einerseits ein
sehr wirtschaftliches Anlassen
mit Maschinen, die lediglich für die zu übertragende Leistung bemessen sind, und
anderseits eine solche Bremsung mit Energgierückgewinnung ermöglicht wird, daß die
vollständige Aufnahme der verfügbaren, mechanischen Energie erfolgt.
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Diese bestimmte Reihe von aufeinanderfolgenden Schaltungen wird ain
besten an Hand eines! Ausführungsbeispiels erläutert.
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In der Zeichnung ist beispielsweise ein Schaltungsschema und ein Differentialgetriebe
veranschaulicht.
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Abb. r bis q. beziehen sich auf die Wirkungsweise dieses Beispiels.
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Abb. 5 und 6 sind ein Schnitt und eine Stirnansicht der Differentiailübertragungsvorrichtung.
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DäsAusführunäsbeispiel besitztzwei Gleichstrom - NebenschluB - Motorgeneratoren
A, B
gleicher Leistung. Ihre Anker a, b können mit zwei Leitern c,
d in elektrische Verbindung gebracht werden, die dazu bestimmt sind", mit Hilfe
eines Schalters e an die zwei Leiter f, g eines Gleichstromnetzes angeschlossen
zu werden. Ihre Feld`wickllungen 0, b1 können mit zwei Leitern h, i in Verbindung
gebracht werden, die mit den Leitern f, g vor dem. Schalter e verbunden sind, derart,
daB die Erregung erfolgen kann, selbst wenn der Schalter e geöffnet ist.
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Die Wellen, &, b3 der beiden Anker a, b
sind mechanisch
mit .der Differentialübiertragungsvorrichtung k (Abb. 5 und 6) verbunden. Diese
besitzt zwei Winkelzahnräder d2, b2 gleichen Durchmessers, die je auf der einen
Welle a$, b3 festsitzen und, mit zwei Winkelzahnrädern k1, k2 gleichen Durchmessers
gleichzeitig! in Eingriff stehen. Die Wellen k4, k15 der Zahnräder k1, k2 sind durch
einen Zahnkranz k3 getragen, der in. ein Zahn rad l eingreift, das zu der durch
die Vorrichtung! kaizutreibenden Maschine gehört.
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Die Gesamtleistung der beiden MotorgeneratoreniA, B ist gleich derjenigen,
die durch die , angetriebene Maschine aufgenommen wird.
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Erregerwicklungen: a4, b4 sind in den. Motorgeneratoren in Parallelschaltung
zu dien Klemmen der Anker a, b vorgesehen und dienen dazu, die Geschwindigkeiten
von A und B zu stabilisieren, wie weiter unten' erläutert wird.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Wenn die beschriebene elektromechanische
Vorrichtung stillsteht, so ist der Schalter e geöffnet, so daß die Anker a,
b keinen Strom erhalten. Andrerseits stehen die Wicklun gen ah, b1 mit den
Leitern h, i nicht in Verbindung (Abb. z).
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Dias Anlassen 'weist eine einleitende Phase und: vier Hauptphasen
auf. Die einleitende Phase besteht darin, die beiden Motorgeneratoren A, B als leerlaufende,
parallel zueinandergeschaltete Motoren laufen zu lassen; sie drehen sich dann in
zueinander entgegengesetzten Richtungen mit der gleichen; Geschwindigkeit. Zu dem
Zwoecke wird Bier Schalter e geschlossene und Strom .in der entsprechenden Richtung
in die Anker a, b und die Wickitmgen a1, b1 geschickt, wobei das Aallassen durch
Mittel erreicht wird', die in der dieser einleitenden Phase entsprechenden Abb.
z nicht angegeben sind.
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Während dieser Phase wird keine Energie auf die diurch die elektromechanische
Vorrichtung k anzutreibende Maschine übertragen, da, solange die beiden Motoren,
A, B
mit der gleichen Geschwindigkeit und in entgegengesetzten Richtungen
sich drehen, kein Drehmoment auf die Zahuräder k3, 1 der Differentialübertragungsvorrichtung
wirkt, diese also unbeweglich bleiben.
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Die vier Hauptphasen, die auf die einleitende Phase folgen, beziehen
sich auf das Anlassen der anzutreibenden Maschine, z. B. ,einer Lokomotive. Sie
ermöglichen die allmähliche Erreichung aller Geschwindigkeiten, welche zwischen
Null und dem angenommenen Maximalwert liegen. Außerdem, ist es möglich, das Anlassen
bei! irgendeiner Geschwindigkeit anzuhalten, welche zwischen Null und dem angenommenen
Maximalwert liegt, und dann fortzufahren, mit dieser Geschwindigkeit zu leufen.
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Die Differenti;alübertraggungsvorrichtung k wirkt a1& solche nur
während: der zwei ersten Hauptphasen des Aaslassens, für welche nur ein Viertel
der Maximalgeschwindigkeit erreicht wird; in der dritten) Phase wird die Hälfte
der Maximalgeschwindigkeit und in der vierten endlich die maximale Endgeschwindigkeit
erreicht.
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Die beiden letzten Phasen erinnern an das Reihen-Piarallel Anlaßspstem@
der elektrischen Straßenbahnen. Bei ihnen drehen sich die beeiden Motorgeneratoren
A, B nicht mehr in entgegengesetzten Richtungen, sondern im gleichen; Sinne
und mit derselben Geschwindigkeit. Sie treiben dann die anzutreibende Maschine mit
Hiffe der Zahnräder kg, 1, ohne daB die Winkelräder k1, k2 sich um ihre Achsen k4,
ks drehen.
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Die Wirkungsweise für die vier Hauptphasen ist folgende: Erste Hauptphase.
Wenn die einleitende Phase abgeschlossen ist, so wird -die Erregung der einen Maschirre
A oder B, z. B.. diejenige von A, vermindert. So wird eine Zunahme
der Geschwindigkeit des Motorgenerators A hervorgerufen
und, da
das Zahnrad: k3 noch stillsteht, so läuft auch die Maschine B schneller.
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Da die Erregung dieser Maschine B nicht vermindert wurde, so wird
sie zum Generator, und es entsteht ein Ausgleichstrom zwischen den Ankern b und
a. Dieser Stroms: ruft ein treibendes Drehmoment auf der Welle a3 und ein Widerstandsdrehmoment
auf der Welle b3 hervor.
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Diese beiden Drehmomente wirken im gleichen Sinne auf die Zahnräder
ks und l unter Vermittlung der Winkelräder k", k2. Sobald die S,ursme der Drehmomente
größer ist als das Widerstands-Drehmoment der anzutreibentd'en Maschine, der Lokomotive
z. B., so beginnt das Anlässen dieser Maschine unter Belastung.
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In dem Maße wie die Erregung des Motorgenerators A vermindert wird,
nimmt dessen Geschwindigkeit zu. Die Geschwindigkeit des Generators B, dessen. Erregung
nicht geändert wurde, bleibt konstant, wenn dafür gesorgt wird, daß seine Abgabe
in Ampere nicht zunimmt. Die Zahnräder k3, l der Vorrichtung k drehen sich also
schneller und schneller.
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Die durch den Motor A dehn, Zahnrad, l gelieferte Energie wird
den Leitern. f, g des Gleichstromnetzes in der Form elektrischer Energie entnommen.
Der Anker d des, Motors A wird vom Netzstrom: durchflossen, welcher um den Ausgleichstroms,
vermehrt wird, ;der vom .Anker b des Generators B geliefert wird.
Wenn der Motor A den doppelten Wert der Geschwindigkeit erreicht hat, die er sm
Moment hatte, in dem: die Verminderung seiner Erregung begann, so wird zur zweiten
Hauptphase geschritten.
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Zweite Hauptphase, so genannte Übergang sphase.
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Zweck dieser Phase ist, den Drehsinn der Maschine B zu ändern und
die Geschwindigkeiten der beiden Maschinen A und B auf denselben Wert zu bringen,
uni beide als Motoren auf die Zahnräder k3 und l wirken zu lassen, ohne daß dann
die Winkelräder kl-, k2 sich um ihre Achsen k4, ks drehen.
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Außerdem wird auf diese Weise die Notwendigkeit vermieden, die Geschwindigkeit
des Motors A weiter als auf den doppelten Wert zu treiben.
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Die Schaltung, erfolgt wie folgt: Die Leiter c, d und
die Anker a, b werden von den Leitern f, g getrennt, nachdem: der vom Motor
A aufgenommene Strom auf Null gebracht worden ist; dies wird durch Verstärkung der
Erregung des Motors A in dem erforderlichen Maße erreicht. Wenn einmal der Schalter
e geöffnet ist, so wird die Erregung, des Motors A nochmals vermindert. Der Ausgleichstrom
entsteht wieder, und die Energie wird durch die lebendige Kraft geliefert, die in
den sich bewegenden Massen angehäuft ist. Wieder wirkt die Maschine A als Motor
und die Maschine B als Generator; da sie aber an das, Netz f, g nicht mehr angeschlossen
sind, so werden ihre Anker a, b
nur noch vom Ausgleichstrom durchflossen.
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Da der Generator B stärker erregt ist als der Motor A, ist sein Drehmoment
größer als dasjenige des Motors A. Das Bestreben des Generators B nach dem Stillstand
ist dann auch größer als das Bestreben der Geschwindigkeit von A nach einer Zunahme;
da die algebraische Stumme der beiden Geschwindigkeiten gleich der Geschwindigkeit
des Zahnrades kg, also gleich einer Konstanten bleiben muß, wenn das Zahnrad kg
seine Geschwindigkeit .nicht ändert, so wird dlas Bestreben nach einer Geschwindigkeitsverminderung
beider Maschinen die Oberhand gewinnen.
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Indem sie langsamer laufen, übertragen beide Maschinen A und B einen
entsprechen>-den Teil ihrer lebendigen Kraft auf das Zahnrad l durch Vermittlung
der Vorrichtung k.
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Mit der allmählichen Verminderung der Erregung des Motors A wird fortgefahren;
wenn diese Erregung durch den Wert »Null« geht, so wird der Generator B so weit
seine Geschhvindigkeit herabgemindert haben, daß er vollständig stillstehen, wird.
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Wird nun. die Maschine A in der andern Richtung erregt, so wird sie
zum Generator und die Maschine B zum Motor; die Drehrichtung der Maschine B ist
jetzt die entgegengesetzte, also die gleiche wie die der Maschine. A, deren Geschwindigkeit
entsprechend abnimmt.
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Wenn mian der Erregung des Generators A immer größere Werte gibt,-
bis sie denselben Wert wie die Erregung; des Motors B hat, so erreicht man schließlich,
daß die Maschinen A und B sich :mit derselben. Geschwindigkeit in derselben Richtung
drehen. Diese Endgeschwindigkeit ist gleich der Hälfte derjenigen des anfänglichen
Leerlaufes.
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Da diese zweite Phase oder sogenannte Übergangsphase nur von kurzer
Dauer ist, so wird sich: die Geschwindigkeit der anzutreibenden Maschine, der Lokomotive
z. B., kaum merklich ändern. Die Änderung des Drehsinnes ;der Maschine B und die
Verlang= samung der Maschine A können infolge der Diferentialübertragungsvorrichtung
k stattfinden. Am Anfang der zweiten Phase drehte sich die Maschine A mit der Geschwindigkeit
2 und die Maschine B mit der Geschwindigkeit r. Am Ende derselhen Phase laufen beide
Maschinen mit der Geschwindigkeit 1-/2. Die Summe der Geschwindigkeiten der Maschinen
A und B ist somit von 2 -j- 1 - 3` zu
'%2 -- '/_ - z geworden,
und die lebendige Kraft der Anker a, b die dem Unterschied zwischen den Summen
der Geschwindigkeit, d. h. 3 - z ==:2 entspricht, ist in Energie umgewandelt worden,
die auf das Zahnrad L übertragen worden ist. Dritte Hauptphase. In der dritten Hauptphase
werden die beiden Anker a@, b der lllotorgeneratoren A, B
unmittelbar,
also nicht über die Leitung c (Abb. 2), in Reihe geschaltet, wobei ihre Erregungen
denselben Wert besitzen. Da beide Anker sich mit der Geschwind-gkeit '/" in gleicher
Drehrichtung drehen und die Erregung dieselbe ist wie im Anfange, so ist bei entsprechender
Schaltung die Summe der durch die Anker erzeugten elektromotorischen Kräfte gleich
der zwischen den Leitern: f, g herrschenden Spannung, so daß sie mit diesen Leitern;
mit Hilfe des, Schalters e verbunden werden: können. Dieser dritten Phase entspricht
Abb. 3.
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In diesem Zustande ist die Geschwindigkeit jedes Motorgenerators A,
B eine labile, ihre Summe aber konstant, wenn. die Spannung zwischen den Leitern
f, g und die Erregungen von A und B unverändert bleiben. Die zusätzlichen
Erregerwicklungen a4, b4, die parallel zu den Klemmen der beiden Motorgeneratoren
selbst geschaltet sind, dienen zur Vermeidung dieses Übelstandes., indem sie die
Geschwindigkeiten stabilisieren.
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Mit denn Anlassen wird fortgefahren, indem die Erregung
jedes, Motorgenerators A, B
vermindert wird, bis die Anfangsgeschwindigkeit
oder Leerlau:fgeschwindigkeit mit dem Werte r wieder erreicht ist. Die Geschwindigkeit
der anzutreibenden Maschine, z. B Lokomotive, ist doppelt so groß als am Ende der
ersten und zweiten Phase. Vierte Hauptphase. In dieser letzten Phase wird zur Parallelschaltung
der beiden Anker a, b der als Motoren arbeitenden beiden Maschinen
A, B geschritten (Abb@4), nachdem beide Erregungen verstärkt worden sind,
um den den Leitern f, g entnommenen Strom auf NuID zu bringen und dann den Schalter
e zu öffnen. Er wird wieder geschlossen, wenn die Par. allelschaltung stattgefunden
hat und die Verstärkung der beiden Erregungen so weit gebracht ist, daß jede der
Maschinen A, B eine Spannung in der Höhe der Netzspannung zwischen f, g erzeugt.
Die Geschwindigkeit von. A und B kann schließlich auf den Wert 2 gebracht werden,
indem ein letztes Mal die Erregungen von A und B um den gleichen Betrag gleichzeitig
vermindert werden. Die Geschwindigkeit der anzutreibenden Maschine, z. B; Lokomotive,
ist wieder doppelt so groß als am Ende der dritten Phase und hat ihren größten Wert
erreicht.
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Aus der Beschreibung des Anlassens geht hervor, daß dasselbe mit dem
kleinst möglichen Verbrauch elektrischer Energie stattfindet, da in keiner der Hauptphasen
ein Ohlmscher Widerstand zur Anwendung kommt und die Gesamtleistung der Motorgeneratoren
gleich derjenigen ist, welche in mechanische Energie umgewandelt werden soll.
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Um mittels einer Bremsung durch die Motorgeneratoren ini der Form
von elektrischer Energie die mechanische Energie zurückzugewinnen, die zeitweilig
durch die Maschine übermittelt wird, welche normalerweise durch diese Motorgeneratoren
angetrieben wird, wird in der gleichen Weise wie für das Anlassen geschaltet, aber
in umgekehrter Reihenfolge.
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Zuerst wird gleichzeitig die Erregung der beiden Motorgeneratoren
A, B um. den gleichen Betrag verstärkt, welche Motorgeneratoren. zueinander
parallel geschaltet sind, wie am Ende der letzten Phase des Anlässens. Sobald die
Verstärkung einen gewissen Wert erreicht, beginnt das Bremsen und wird elektrische
Energie in das Netz f, g geliefert.
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Dann wird! zur Reihenschaltung der Anker a, b, nachher zur
Parallelschaltung der Anker a, b unter Verstärkung der Erregung nur der einen Maschine
geschritten. Auf diese Weise kann bis zum vollständigen Stillstand des Zahnrades
d gebremst werden, wobei immer die aufgenommene mechanische Energie in, der Form,
elektrischer Energie dem Netz geliefert wird.
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Nachdem der vollständige Stillstand erreicht ist; kann man die beiden
Motorgeneratoren A, B leerlaufen fassen, z. B. behufs eines späteren Anlas:sens.
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Natürlich kann die Erregung der Motorgeneratoren durch eine vom Netz
unabhän, gige Quelle geliefert werden, z. B. durch besondere Erregermaschinen.
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Es können mehrere Paare Motorgeneratoren vorhanden sein, welche in
jedem Paare durch eine Differentiatübertragungsvorrichtung verbunden sind; diese
letztere kann auch von derj eni.gen abweichen, die in Abb. 5 und 6 angegeben ist.