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Einrichtung zur Regelung von mit veränderlicher Drehzahl angetriebenen
elektrischen Gleichstromerzeugern Die Veränderung der Antriebsdrehzahl ruft bei
einem gewöhnlichen Gleichstromgenerator bekanntlich eine Spannungsveränderung hervor.
Bei gewissen Antrieben können die Drehzahlveränderungen so groß sein, daß die entsprechenden
Spannungsveränderungen die Anwendung irgendwelcher Regelungsmittel für die Spannung
erfordern, damit die von dem Generator gespeisten Maschinen über den ganzen Bereich
der Drehzahlveränderungen des Antriebsorgans für den Generator ordnungsgemäß arbeiten
können.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Regelung von mit
veränderlicher Drehzahl angetriebenen elektrischen Gleichstromerzeugern, deren Erregerkreis
zwei einander entgegenwirkende Nebenschlußfeldwicklungen und einen Widerstand von
negativer Widerstandsstromcharakteristik enthält. Das Neue und Erfinderische wird
darin gesehen, daß die beiden Feldwicklungen in Reihenschaltung an die beiden Ankerbürsten
des Generators angeschlossen sind und daß der selbstveränderliche Widerstand parallel
zu der Hauptfeldwicklung liegt, temperaturunabhängig ist und mit wachsendem Strom
augenblicklich nach einer Exponentialkurve sinkt. Die Erfindung findet Anwendung
beispielsweise für einen Antrieb, bei dem ein Gleichstromgenerator von der Achse
eines Fahrzeuges angetrieben ist und einen oder mehrere Gleichstrommotoren speist,
die unter anderem zum Antrieb von Ventilatoren dienen, die beispielsweise zum Umwälzen
von Luft in Kühlwagen gebraucht werden. Die Vorrichtung zur Erzeugung eines solchen
Luftumlaufs muß einfach, zuverlässig und verhältnismäßig robust sein, wobei auch
die Bedienung auf ein Mindestmaß beschränkt werden muß. Auch müssen dabei Hilfseinrichtungen
irgendwelcher Art nach Möglichkeit vermieden sein.
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Es ist an sich bekannt, zur Erzielung konstanter Spannung zwei gegeneinandergeschaltete
Erregerwicklungen zu benutzen und einen Regelwiderstand mit negativem Temperaturkoeffizienten
vorzusehen. Es ist aber erst durch die erfindungsgemäße Anordnung eine Einrichtung
geschaffen worden, die bei elektrischen Übertragungen die größte Sicherheit dafür
bietet, daß trotz großer Drehzahlveränderung an der Welle des Generators die Generatorspannung
fast unverändert bleibt. Daher werden auch die von dem Generator
gespeisten
Maschinen über den ganzen Bereich der Drehzahländerungen des Antriebsorgans ordnungsgemäß
arbeiten können. Der Grund dafür, daß durch die Erfindung gegen-.. über der bekannten
Schaltung eine bessere Konstanthaltung der Spannung erzielt wird;>; liegt darin,
daß im erstgenannten Falle däs:-Haupterregerfeld infolge Parallelschaltung mit dem
stromabhängigen Widerstand praktisch konstant erregt wird. Bei der bekannten Anordnung
wird die Haupterregung dagegen durch eine reine Nebenschlußwicklung bewirkt. Mit
steigender Spannung des Generators steigt deshalb auch die Haupterregung. Daraus
geht aber hervor, daß die Wirkung der Gegenerregung bei der neuartigen Schaltung
zur Erreichung einer gewissen Konstanz der Spannung geringer zu sein braucht als
bei der bekannten Anordnung, bei der das Anwachsen der Haupterregung außerdem noch
aufgehoben werden muß. Setzt man gleichen Aufwand an Haupterregerwindungen und Gegenerregerwindungen
bei gleicher Stromaufnahme in ein und demselben Maße voraus, so kann mit der erfindungsgemäßen
Schaltung eine bessere Konstanz der Spannung bei veränderlicher Drehzahl erzielt
werden. Dies bedeutet aber nichts anderes, als daß zur Erzielung desselben Grades
der Spannungsregelung im Falle der vorliegenden Erfindungeinkleinerer Generator
erforderlich wird als bei der bekannten Schaltung.
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Die Zeichnung veranschaulicht mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung
in schematischer Darstellung. - .
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Abb. i zeigt das Schaltbild des Antriebes eines Lüfters.
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Abb.2 zeigt eine andere Ausführungsart eines solchen Antriebes, bei
dem die Drehrichtung des Antriebsorgans für den den Lüftermotor speisenden Generator
ohne Bedeutung ist.
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Abb. 3 zeigt die Kennlinien für den Antrieb nach Abb. 2.
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Bei dem Antrieb nach Abb. i wird ein Gleichstromgenerator i von der
Achse 2 eines Fahrzeugrades 3 angetrieben. Der Generator i ist durch die Leitungen
q. mit dem Elektromotor 5 verbunden, der beispielsweise einen Lüfter 6 antreibt.
Der Motor 5 ist vorzugsweise als ein Nebenschlußgleichstrommotor ausgebildet, der
unterhalb der Sättigung oder richtiger gesagt, unterhalb der Höchstwerte der Sättigung
arbeitet. Unbedingt nötig ist dies aber nicht. . Der Zweck seiner Arbeit unterhalb
der Sättigung ist nur der, die Drehzahl des Motors möglichst unempfindlich von den
Spannungsänderungen zu machen.
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Der Generator i besitzt eine Nebenschlußhauptfeldwicklung 7, die in
Reihe mit einer Differentialnebenschlußfeldwicklung 8 liegt. Parallel zu der Hauptfeldwicklung
7 -ist ein Widerstand 9 vorgesehen, der eine negative Stromwiderstandscharakteristik
besitzt.
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Das Widerstandselement 9 ist vorzugsweise ::äus einem besonderen Widerstandsstoff
herge-.stellt. Dieser Stoff hat die Eigenschaft, daß sein elektrischer Widerstand
augenblicklich und exponential sinkt, 'wenn die durch den Widerstand geleitete Spannung
oder Stromdichte oder beide steigen. Außerdem ist die Widerstandsveränderung dieses
Baustoffes fast unabhängig von Temperaturschwankungen, so daß die Wirkungsweise
einer Regelvorrichtung mit einem solchen Widerstand von der Temperatur der umgebenen
Luft nicht beeinflußt wird. Das augenblickliche Ansprechen dieses Widerstandsstoffes
macht ihn zur Verwendung für Regelvorrichtungen mit großer Empfindlichkeit und raschem
Ansprechen besonders geeignet.
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Die Wirkungsweise des Antriebes nach Abb. i ist die folgende: Die
Drehzahl des Fahrzeugrades 3 nehme beispielsweise zu. Infolgedessen erhöht sich
auch die Drehzahl des Generators i. Das hat zunächst eine Steigerung der Spannung
des Generators i zur Folge, also auch eine gesteigerte Spannung in den -beiden Feldwicklungen
7 und 8 und in dem Widerstand g. Dies verursacht wiederum einen stärkeren Stromfluß
durch 7, 8 und g, wodurch eine Verbundwirkung hervorgerufen wird. Der erhöhte Stromfluß
durch den Widerstand 9 verringert seinen Widerstand und verringert damit den Gesamtwiderstand
der beiden aus Wicklung 7 und Widerstand 9 bestehenden Parallelzweige. Infolgedessen
fließt ein wesentlich stärkerer Strom durch die Differentialfeldwicklung B. Hierdurch
entsteht eine Verringerung der reinen Amperewindungen, die von den beiden Wicklungen
7 und 8 erzeugt werden. Der Gesamterregerstrom wird zwischen der Differentialwicklung
8 und der Hauptfeldwicklung 7 sowie dem Widerstand 9 mit einer solchen Veränderung
verteilt, daß ein größerer Teil des Stromes durch den Widerstand- 9 und -ein geringerer
Teil durch die - Hauptfeldwicklung 7 fließt. Dies hat die Wirkung, daß die reinen
Feldamperewindungen des Generators i verringert werden. Durch richtige Wahl des
Widerstandes 9 und der. Windungen der Haupt- und der Differentiabfeldwicklung sowie
der Charakteristik des Widerstandes g kann tatsächlich eine Richtungsumkehrung der
Erregung durch stetiges Steigern. der Spannung des Generators erzielt werden.
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Bei der Schaltung nach Abb. i ist es aber vorteilhafter, die Gesamterregung
des Generators i mit dem Anwachsen der Spannung so zu verringern, daß die Spannung
über einen weiten Bereich der Antriebsdrehzahl im wesentlichen
konstant
bleibt. Die Schaltung ist so empfindlich, daß schon sehr geringe Änderungen der
Generatorspannung verhältnismäßig große Änderungen der Gesamtamperewindungen der
Feldwicklung hervorrufen. .
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Ein Abfallen der Drehzahl des Generators i , verringert seine Spannung,
so daß die Regelvorrichtung die Gesamterregung des Generators derart steigert, daß
seine Spannung im wesentlichen konstant bleibt.
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Da ein gewöhnlicher Generator mit Selbsterregung bei bzw. nach dem
Wechsel seiner Drehrichtung keine Spannung erzeugen kann, weil der Generator seinen
restlichen Magnetismus nicht umpolen kann, ist es in praktischen Fällen notwendig,
zum Erzeugen der Spannung bei umkehrbarem Antrieb des Gleichstromgenerators Hilfsmittel
vorzusehen. Eine solche vervollständigte Schaltung ist in Abb. 2 veranschaulicht.
Der Generator i wirkt hier als Erregermaschine für den Hauptgenerator io. Dieser
hat eine Feldwicklung ii, die an den Bürsten des Generators i liegt, welcher nunmehr
als Erregermaschine wirkt. Der Hauptgenerator io liefert zugleich den Erregerstrom
für den Generator i. Der Erregerkreis des Generators i besteht wiederum aus einer
Nebenschlußhauptfeldwicklung 7, einer Differentialnebenschlußfeldwicklung 8 und
einem Widerstand 9 mit einer negativen Stromwiderstandscharakteristik.
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Bei der Schaltung nach Abb. 2 ist die Wirkung der Regelung grundsätzlich
die gleiche wie nach Abb. i. Dreht Lzich das Rad 3 mit einem gewissen Drehsinn und
steigt die Drehzahl, so wächst auch die Spannung der Erregermaschine i, wodurch
die Erregung des Generators io und damit seine Spannung gesteigert wird. Die Spannungssteigerung
wirkt auf die Erregung der Erregermaschine i derart, daß deren Erregerfeld genügend
herabgesetzt wird, um ihre Spannung zu regeln. Es genügt aber nicht, die Spannung
der Erregermaschine i bei Änderungen ihrer Drehzahl nur konstant zu halten, damit
die Spannung des Generators io bei Drehzahländerungen ihren Wert beibehält. Es muß
vielmehr für den Generator i eine solche Regelung der Erregung vorgesehen sein,
daß seine Spannung bei Steigerung der Drehzahl sinkt. Dann kann die Erregung der
Feldwicklung i i des Generators io in solchem Maße zum Sinken gebracht werden bei
Steigerungen der Drehzahl, daß die Spannung des Generators io über einen verhältnismäßig
weiten Bereich der Drehzahlveränderungen im wesentlichen konstant bleibt.
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Die Abb.3 zeigt Kennlinien dieser Wirkungsweise. Die Kurve i zeigt
den sinkenden Verlauf der Spannung der Erregermaschine i bei Steigerung ihrer Drehzahl.
Die Kurve io zeigt, daß die von dem Generator io abgegebene Spannung über einen
verhältnismäßig weiten Bereich der Drehzahl im wesentlichen konstant bleibt. Aus
diesem Grunde bleibt auch die Drehzahl des angetriebenen Arbeitsmotors 5 im wesentlichen
über einen weiten Bereich'konstant, wie das die Kurve 5 angibt. Da die Drehzahl
und die zugeleitete Spannung des Motors 5 konstant bleiben, so muß auch der Motorstrom
über einen weiten Bereich der Generatordrehzahl konstant bleiben. Das wird durch
die Kurve 5' veranschaulicht, wobei der durch diese Kurve angegebene Strom zugleich
der Strom des Generatorankers und des Motors ist.
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Wird der Drehsinn des* Rades 3 geändert, so werden die beiden
Generatoren i und io in= folge ihres restlichen Magnetismus umgepolt. Dabei hat
eine der beiden Maschinen stets einen stärkeren restlichen Magnetismus als die andere,
so daß die Umpolung dieser Maschine auch die Umpolung, des restlichen Magnetismus
der anderen Maschine zur Folge hat. Ist beispielsweise der Generator i die Maschine
mit dem stärkeren restlichen Magnetismus, so polt sie auch bei Umkehr des Drehsinnes
den restlichen Magnetismus des Generators io um. Der Generator io erzeugt dann eine
Spannung mit der ursprünglichen Polarität, weil sowohl seine Felderregung als auch
sein Drehsinn geändert worden sind. Die Spannungserzeugung des Generators io steigert
die Erregung der Erregermaschine i im gleichen Sinne wie ursprünglich, so daß der
Generator i seine Spannung mit umgekehrter Polarität aufbaut. Es genügt also, die
Erregermaschine i mit einem stärkeren restlichen Magnetismus zu versehen als der
des Generators io, um zu erreichen, daß der Generator io seine Spannung stets mitder
gleichen Polarität aufbaut. Ist die Polarität unwesentlich, so braucht dieses Verhältnis
des restlichen Magnetismus der beiden Maschinen. zueinander nicht zu bestehen.
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Bei dem Schema nach Abb. 2 ist der angetriebene Motor 5 mit einer
Hilfsreihenschlußfeldwicklung 12 versehen, um bei Schwankungen der Last eine gewisse
Drehzahlregelung im Sinne einer Konstanthaltung derselben zu =sichern.