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Anordnung zur Energierückgewinnung bei elektrischen Zugförderungsanlagen
mittels Reihenschlußgleichstrommotoren. Gegenstand' der Erfindung ist eine weitere
Ausbildung des Patents 355%44 betreffend eine Anordnung zur Energierückgewinnung
bei elektrischen Zugförderungsanlagen mittels Reihenschlußgleichstrommotoren.
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Die Anordnung nach dem Hauptpatent kennzeichnet sich dadurch, daß
die als Erzeuger arbeitenden Maschinen nach Art einer Wheatstoneschen Brücke angeordnet
sind, deren Zweige aus einzelnen Maschinen oder Maschinengruppen bestehen, daß ferner
die Reihenfeldwicklungen der Maschinen an die Punkte der Brücke angelegt werden,
an welche bei der üblichen Wheatstoneschen Brücke das Galvanometer angeschlossen
wird, und daß die kleine Spannung zur Speisung des Erregerstromkreises durch eine
Störung bzw. Regelung der symmetrischenSpannungsverteilung in den Zweigen der Brücke
gewonnen wird.
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Gemäß der Erfindung wird dieses Prinzip des Hauptpatentes in einer
Anzahl von Ausführungsformen durchgeführt.
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Die Zeichnung zeigt schematisch in den Abb. i bis i i verschiedene
Ausführungsbeispiele.
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Bei der Ausführungsform nach Abb. i sind an Stelle von Aggregaten,
bestehend aus gleichen Maschinen, bei denen gemäß dem Hauptpatent nachträglich eine
passende Unsymmetrie künstlich hervorgerufen wird, von vornherein ungleiche Maschinen
gewählt, die nach der Art einer Wheatstoneschen Brücke geschaltet sind.
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Die Ausführungsform der Abb. i zeigt den Fall einer Viermotorenausrüstung.
Die Ziffern i, 2, 3, 4 bezeichnen die Ankerwicklungen und 5, 6, 7, 8 die zugehörigen
Feldwicklungen der Maschinen. Die Ankerwicklungen sind nach Art einer Wheatstoneschen
Brücke geschaltet, während die Feldwicklungen unter sich und mit dem Regulierwiderstand
9 in Reihe angeordnet und zwischen die Punkte N und M geschaltet sind.
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Setzt man z. B. voraus, d.aß die vier Maschinen unter sich sonst gleich
sind, aber paarweise einen verschiedenen Ankerwiderstand aufweisen, und schaltet
man sie gemäß Abb. i so, daß die beiden mit höherem Widerstand behafteten Anker
an die Stelle der mit 2 und 3 bezeichneten Anker treten, so wird sich der Punkt
N höher im Potential als der Punkt M stellen, sobald das so gebildete System ans
Netz gelegt wird, und wird also ein Erregerstrom durch die Feldwicklungen fließen,
welcher durch den Widerstand 9 beliebig reguliert werden kann.
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Der allgemeinste Fall ist der, daß teilweise ungleiche Maschinen zur
Verwendung gelangen, und daß dieselben nach der geschilderten Art in passender Weise
angeordnet werden. Dieser Fall ist ohne weiteres verständlich, so daß von einer
weiteren Erläuterung abgesehen werden kann.
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Ein Sonderfall davon kennzeichnet sich @dadurch, daß man, was bei
zwei oder mehr ständig in Reihe geschalteten Maschinen zulässig ist, Maschinen mit
verschiedenen Ankerwindungszahlen anwendet, d. h. mit anderen Worten, Maschinen
für verschiedene Spannungen wählt. Die Maschinen sind im übrigen unter-, einander
vollkommen gleich. Sind z. B. in Abb. i für die Anker 2 und 3 kleinere Windungszahlen
als für die Anker i und 4 vori gesehen, so werden die E. 1\T. Ke, in den Ankern
2 und: 3 jederzeit niedrigere Werte als diejenigen in den zwei anderen Ankern annehmen.
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Die Regelung des Erregerstromes und somit der Geschwindigkeit geschieht
dabei immer durch den Regulierwiderstand 9 (in Abb. i), welcher im Erregerstromkreis,
angeordnet ist.
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Es leuchtet ein, daß gleichzeitig zwei oder mehrere der im Hauptpatent
und im vor-, liegenden Zusatzpatent geschilderten Methoden zur Störung der Symmetrie
der Brücke und zur'#'eränderung des Erregerstromes bzw. -ler Belastung und Drehzahl
der Maschinen verwendet werden können. Es ist selbstverständlich, daß man auch bei
Anwendung ungleicher Maschinen den Grundgedanken der Erfindung durch die halbe Anzahl
von Doppelkollektor- oder Zwillingsmaschinen an Stelle der ganzen Anzahl von Einkollektormaschinen
verwirklichen kann.
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i Die nach den bereits auseinandergesetzten Methoden geschalteten
Hauptstrommaschinen arbeiten dann im allgemeinen als im Nebenschluß erregte Maschinen,
und zwar ist deren Drehzahl praktisch von der Belastung unabhängig. Die Maschinen
können selbstverständlich sowohl als Motoren als auch als Generatoren wirken.
Nun
ist in vielen Fällen; hauptsächlich beim Bahnbetriebe, eine reine Nebenschlußcharakteristik
der Maschinen deswegen unerwünscht, weil dann das Verhalten der Maschinen starr
ist, so daß diese heftigen Belastungsstößen und sogar Kurzschlüssen ausgesetzt sind,
welche die Maschinen selbst gefährden und das Netz ungünstig belasten können.
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Es ist deshalb empfehlenswert, das Verhalten der Maschinen weicher
zu gestalten, indem man 'dieselben als Verbundmaschinen arbeiten läßt. Das läßt
sich auf sehr einfache Weise erreichen, indem man einen kleinen Teil der Erregerwicklung
stets mit den Ankern der Maschinen zusammenschaltet. Dann wirkt dieser Teil der
Wicklung als Verbundwicklung. Eine solche Anordnung für die in Abb. i bereits geschilderte
Viermotorenausrüstung ist beispielsweise in Abb.2 schematisch dargestellt. Die Ziffern
i bis 9 haben die gleiche Bedeutung wie früher, nur sind in diesem Falle die Erregerwicklungen
5-, 6, 7, 8 je in zwei Teile getrennt. Der eine Teil, welcher je nach der Erregerwicklung
der Reihe nach mit 5', 6', 7' und 8' bezeichnet ist, ist ständig mit der zugehörigen
Ankerwicklung verbunden und' wirkt im der gezeichneten Schaltung als Verbundwicklung.
Bei Motorwirkung, wenn: die Maschinen Strom vom Netz abnehmen, unterstützt die Verbundwicklung
die Wirkung des im Nebenschluß geschalteten Teiles der Erregerwicklung, so daß die
Erregung der Maschinen bei steigendem Motorstrom verstärkt wird. Auf diese Weise
steigen die .indizierten E. M. Ke. in den Ankerwicklungen und die Drehzahl geht
zurück, so daß sich die Belastung verringert. Beim Generatorbetrieb dagegen, wenn
die Maschinen .Strom ins Netz zurückschicken, wirkt die Verbundwicklung dem im:
Nebenschluß geschalteten Teil der Erregerwicklung entgegen und die Erregung wird
daher bei steigendem Generatorstrom geschwächt. Infolgedessen werden die in den
Ankerwicklungen induzierten E. M. Ke. niedrigere Werte annehmen und!- der ins Netz
zurückgeschickte Strom wird sich vermindern. Dadurch erfolgt eine automatische Entlastung
der Maschinen.
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Der Grundgedanke der Erfindung läßt sich in mannigfaltiger Weise verwirklichen;
der bis jetzt behandelte Fall, einer aus vier Maschinen bestehenden Motorausrüstung
ist nur beispielsweise der Einfachheit halber bevorzugt worden. Bei der Erläuterung
an Hand weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung erscheint es angebracht, die
bis jetzt betrachteten Schaltbilder schematisch: zu vereinfachen und in einem einzigen
Schaltungsschema zu vereinigen. Dabei sollen der Einfachheit halber alle Widerstände
und die als Verbund'-wicklund'en wirkenden Teile der Erregerwicklungen fortgelassen
und der Erregerstromkreis soll in ganz schematischer Weise angedeutet werden. Dies
ist in Abib.3 geschehen. In dieser .bezeichnen die Ziffern i, 2, 3 und 4 wie früher
die Ankerwicklungen der vier Maschinen, während mit (dem Buchstaben E der ganze
irgendwie ,gebildete Erregerstromkreis angedeutet sei.
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Nachfolgend. mögen als Beispiele einige der vieler. vorkommenden Fälle
näher betrachtet werden. Es können z. B. bei einer Sechsmotorenrausrüstung .die
in Alb-. 4, 5, 6 und 7 angedeuteten Schaltungen vorgenommen werden. Es sind i, 2,
3, 4, 5, 6 die Ankerwicklungen und E der Erregerstromkreis. M und !V sin' wiederum,
die gegenüberliegenden Punkte der Brücke, an welche der Erregerstromkreis, angeschlossen
ist. Bei den Abh. 5 und 6 ist zu bemerken, daß die Brücke nur aus den Ankerwicklungen.
3, 4, 5 und: 6 gebildet wird, indem in Abb. 5 die Punkte P und 0 kurzgeschlossen
sind, und in Abb.6 die Ankerwicklung 5 im Punkte P an -die Anklerwicklungen 2 und
4 angeschlossen wird.
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In allen bis jetzt betrachteten Beispielen wurden die Erregerwicklungen
aller Maschinen. in einer einzigen Reihe hintereinander geschaltet. Es können jedoch
Fälle wie .der in Abb. 7 angedeutete vorkommen, in welchen der Erregeristromkreis
'durch zwei oder mehr parallel geschaltete Guppen, bestehend j e aus einer Reihe
von hintereinander angeordneten Erregerwicklungen gebildet wird. Endlich kann auch
der Erregerstromkreis durch passende Hintereinanderschaltung einzelner aus Erregerwicklungen
#bestehenderElemnte gebildet werden, welche untereinander in der Anzah:l der parallel
geschalteten Zweige verschieden sind.
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Es sind auch .Schaltungen möglich, wie die inAbb.8beispielsweise gezeichnete,
in welchen nur ein Teil! der Maschinen zur Erzeugung des Erregerstromes gebraucht
wird. In dem Falle der Abb. 8, welche eine der vielen möglichen Anordnungen einer
Achtmotorenausrüstung darstellt, bezeichnen die Ziffern i bis 8 die Ankerwicklungen
ider Maschinen, E den aus. den sämtlichen Erregerwicklungen irgendwie gebildeten
Erregerstromkreis und M und N die Punkte, an welche dieser Stromkreis angeschlossen
wird. Wie ersichtlich, tragen die Ankerwicklungen i und 2 zur Erzeugung des Erregerstromes
nichts bei.
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Bei Ausrüstungen mit mehr als vier Motoren vermehrt sich die Anzahl
der möglichen Schaltungen erheblich, auf die aber nicht näher eingegangen werden
soll.
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Bisher wurde der normale Betrieb der Maschinen besprochen, welche
nach dem: dargelegten Erfindungsgedanken° arbeiten. Es
soll noch
eine Methode kurz erläutert werden, «-elche den sanften Übergang vom normalen Serienbetrieb
zum Nebenschluß- oder Verbundbetrieb der Maschinen. in ganz elementarer Weise ermöglicht.
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Die Grundlage dieser Methode sei beispielsweise bei der bereits erwähnten
Viermotorenausrüstung an Hand der Abb.9 erklärt, in welcher die vier Zweige der
Brücke der Reihe nach mit I, II, III, IV bezeichnet sind.
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Man läßt zuerst ein Teil der Maschinen: als Hauptstrommotoren anlaufen,
indem man zwei passende gegenüberliegende Zweige (in Abb.9 die Zweige I und IV)
der Brücke durch Öffnen der Schalter io, i i offen läßt und die anderen zwei Zweige
mit dem dazwischen in Reihe geschalteten Erregerstromkreis der Maschinen ans Netz
anschließt (in A.bb. 9 die Zweige III und II und dem aus dem ErregerstromkreisE
und dem Serienwiderstand9 bestehenden Stromkreis). Nun erhöht man die Spannungen
an den Ankerwicklungen der in den beiden offenen Zweigen im Leerlauf arbeitenden
Maschinen (in Abb. 9 an den Ankerwicklungen i und q.) gegenüber denjenigen der unter
Strom stehenden Ankerwicklungen (in der Abb. 9 gegenüber den Ankerwicklungen 3 und
2) in der Weise, daß nach erfolgter Bildung der Brücke durch Schließen der Schalter
io und i i die zum: Nebenschl:uß oder Verbundbetrieb der Maschinen an der Symmetrie
der Brücke nötige Störung vorhanden sei. Diese Spannungsregulierung kann mittels
irgendeiner der bereits besprochenen Methoden erfolgen, welche zur Störung der Symmetrie
der Brücke dienen. Hat diese verschiedene Einstellung der Spannungen stattgefunden,
dann reguliert man mit demWiderstand9 so lange, bis an den Unterbrechungsstellen
an den Schaltern io und ii zwischen den Punkten: a und b bzw. c und
d keine Spannungsdifferenzen herrschen. Dann: schließt man die Schalter io
und ri und geht vom Serien- zum :N ebenschluß- oder Verbundbetrieb .der Maschinen
ohne Stromstöße über.
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Dieselbe Methode läßt sich in etwas geänderter Art anwenden, bei der
es sich erübrigt, die mit den Schaltern io und i i kurzzuschließenden Punkte auf
gleiche Spannung einzustellen. Ein Beispiel dieser Methode ist in Abb. io dargestellt.
In dieser bedeuten 12 und 13 zwei passend bemessene und regelbare Widerstände in
den Zweigen I und IV. Hat man den Stromkreis, der aus dem Zweige III, dem Erregerstromkreis
E (in Abb. io ist der Serienwiderstand 9 weggelassen, weil er für die in Frage kommende
Inbetriebsetzungsrnethode überflüssig ist) und dem Zweige II besteht, ans Netz geschaltet
und sind die E. M. Ke. an den Ankerwicklungen i und d. der beiden offenen Zweige
I und IV in bezug auf die übrigen zwei in der oben erwähnten Weise erhöht, dann
werden die Widerstände 12 und 13 auf einen passenden Wert eingestellt und die Schalter
io und ii geschlossen. Der Übergang vom Serien- zum Nebenschluß-oder Verbundbetrieb
erfolgt dann auch in diesem Falle ohne Stromstöße.
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Dabei ist zu bemerken, daß die Widerstände 12 und 13, wenn sie nicht
speziell zur ständigen Störung der Symmetrie der Brücke dienen, im allgemeinen lediglich
zum stoßfreien Übergang vom Serien- zum Nebenschluß-oder Verbu:ndbetrieb verwendet
werden. Hat derselbe stattgefunden, so werden die Widerstände 12 und 13 allmählich
kurzgeschlossen.
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Diese Methoden lassen sich in gleicher Weise bei jeder möglichen Schaltung
anwenden, sawchl mit Einkollektor- als auch rnit Doppelkollektor- oder Zwillingsmaschinen.
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Sind die aus einzelnen Maschinen oder Maschinengruppen gebildeten:
vier Zweige der Brücke für die gleiche Stromstärke bemessen, ' wie es z. B. in Abb.
3, 5 und 6 der Fall ist, dann werden die Maschinen beim Nebenschluß- oder Verbundbetrieb
bei jedem. Betriebszustand stets ungleichmäßig belastet sein.
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Dies sei z. B. auf Grund der Abb. 3 erläutert. Es seien die vier Maschinen
für gleiche Stromstärken: bemessen, und es bezeichnen die Buchstaben J1, J2, J3,
1, und 1. der Reihe nach die Ströme in den vier Ankerwicklungen und in, dem gemeinsamen
Erregerstromkreis. Wenn die Maschinen' als Generatoren ins Netz arbeiten, haben
die Ankerströme diegezeichnetenRichtungen. DerErregerstrom fließe in :der Richtung
des Pfeiles von Jo.
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i Es ist immer: J..=J4-Ja und J2= J,-Jo, d. h. die Ankerströme in
zwei hintereinander geschalteten Zweigen sind immer um den Erregerstrom oder besser
gesagt, um den im j Nebenschlußstromkreis zwischen M und N fließenden Strom verschieden.
In der Praxis wird man im allgemeinen danach trachten, J1= J4 und J2 = J3 zu machen.
Man sieht also, daß die Ankerwicklungen i und q. bei Generatorwirkung immer um den
Nebenschlußstrom mehr belastet sein werden als die Ankerwicklungen 2 und 3. In;
diesen kann der Strom, auch bei Generatorwirkung der Ausrüstung, den Wert Null oder
gar einen negativen Wert annehmen (die beiden diesbezüglichen Maschinen werden dann
als Motoren laufen), wenn der Erregerstrom einen sehr hohen Wert erreicht. Es liegt
der Gedanke nahe, die Belastungen der Maschinen in« der Weise auszugleichen, daß
man in den mehr belasteten: Zweigen I und IV Maschinen, welche für größere Stromstärken
bemessen sind, oder mehrere gleiche unter sich parallel geschaltete Maschinen, -
anordnet. Dies ist
z. B. bei der Anordnung,der Abbl. 4 geschehen.
Bei .dieser sind die Zweige I und IV je aus zwei gleichen parallel geschalteten
Maschinen gebildet, während die Zweige II und III aus einzelnen Maschinen bestehen,.
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In diesem als Beispiel betrachteten Falle erhält man einen vollkommenen
Belastungsausgleich der Maschinen, wenn der im Erregerstromkromkreis, oder richtiger
in dem zwischen M und N geschalteten Nebenschlußstromkreis fließende Strom gleich
einem Drittel des ins Netz zurückgeschickten Stromes ist, d. h. wenn der Erregerstrom
gleich dem Ankerstrom jeder Maschine ist. Sobald jedoch der Strom imErregenstrom'kreis
in bezug auf den Netzstrom niedriger wird, findet bei einer solchen Schaltung das
Umgekehrte wie in Abb. 3 statt; es werden die in den Zweigen III und II arbeitenden
Maschinen mehr als die übrigen belastet.
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Es soll, dann, um die Belastung der Maschinen auszugleichen, der Strom
im Nebenschluß erhöht .und gleich einem Drittel des Netzstromes gemacht werden.
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Dabei soll natürlich der Erregerstrom unverändert bleiben. Der geschilderte
Ausgleich kann nun auf .sehr einfache Art :durch Anbringung eines veränderlichen,
eventuell mit Selbstinduktion behafteten Uanschlußwiderstandes im Nebenschluß zum
ggnzen Erregerstromkreis bewirkt werden. Ein Beispiel ist in Abb. i i behandelt,
welche die Methode des Belastungsausgleiches für die in Abb.4 abgebildete Sec'hsmotorenausrüstung
darstellt. Dabei bezeichnet der Buchstabe R den regelbaren Umschlußwigerstand, Welcher
auf irgendwelche Weise, z. B. von Hand', mechanisch, elektrisch oder automatisch
mit Hilfe von Relais (z. B. Differentialrelais) betätigt wird. Dieser Widerstand
soll immer so eingestellt werden, daß der Strom im Nebenschluß gleich einem Drittel
des Netzstromes ist. Es wird dann der bereits. erwähnte Belastungsausgleich aller
Maschinen zustande kommen. In entsprechender Weise läßt es sich leicht erreichen,
die Belastungen der einzelnen Ma; schirren auch bei .den vielen anderen möglichen
Schaltungen gleichzumachen.