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Thermoelektrischer Fahrzeugantrieb Triebfahrzeuge, die von Wärmekraftmaschinen,
wie z. B. von Dieselmaschinen, Dampf- oder Gasturbinen, angetrieben werden, benötigen
für die Kraftübertragung zwischen Kraftmaschine und den Triebrädern ein Zwischenglied,
durch welches das Übersetzungsverhältnis zwischen Kraftmaschine und Rädern während
des Betriebes leicht geändert und das Fahrzeug bei laufender Kraftmaschine vom Stillstand
aus in sanftem Übergang beschleunigt werden kann. Während bei kleineren Leistungen
Zahnradgetriebe mit verschiedenen Stufen und Reibungskupplungen oder auch hydraulische
Kraftübertragungen verwendet werden, kommt für Triebfahrzeuge großer Leistungen
fast ausschließlich die elektrische Übertragung in Frage. Bei der elektrischen Übertragung
ist wegen der einfachen und leichten Regelfähigkeit die Verwendung von Gleichstrom
vorzuziehen. Zu diesem Zweck wurden auf dem Fahrzeug ein oder auch mehrere Gleichstromgeneratoren
vorgesehen, von denen die auf die einzelnen Achsen des Fahrzeuges verteilten Fahrmotoren
gespeist werden. Die Regelung der Geschwindigkeit kann dann in einfachster Weise
durch Spannungsänderung des Generators erfolgen. Trotz ihrer vielen Vorzüge hat
diese Übertragungsart jedoch den Nachteil, daß die Leistungsfähigkeit von Gleichstromgeneratoren
mit Rücksicht auf Stromwendung und Drehzahl bald eine Grenze findet. Diese Schwierigkeiten
können an sich durch die Verwendung von Wechselstrom vermieden
werden,
denn bei Wechselstromgeneratoren fällt bekanntlich jede Stromwendung fort, so daß
solche Generatoren für wesentlich größere Leistungen und Drehzahlen gebaut werden
können als Gleichstromgeneratoren. Leider treten aber auch hier Schwierigkeiten
auf, denn wenn man Asynchronmotoren verwendet, so steht deren Drehzahl in einem
ganz bestimmten Verhältnis zu der vorhandenen Frequenz, und wenn es auch durch Polumschaltung
am Generator möglich ist,- mehrere wirtschaftliche Geschwindigkeitsstufen zu erhalten,
so bleibt doch der Nachteil bestehen, daß in allen anderen Drehzahlbereichen ganz
erhebliche Verluste in den Ständerwicklungen auftreten. Verwendet man aber an Stelle
von Asynchronmotoren Kollektormotoren, die sowohl mit Drehstrom als auch einphasig
betrieben werden können, so ist man mit Rücksicht auf die auftretenden, magnetischen
Verluste und auf die Stromwendung an kleine Frequenzen gebunden. Letzteres hat jedoch
zur Folge, daß der Generator bei Turbinenantrieb selbst bei zweipoliger Ausführung
nur über ein Untersetzungsgetriebe inBetrieb genommenwerden kann. Bei großen Leistungen
muß daher auch diese Übertragungsart ausscheiden.
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Als günstigste Übertragungsart hat sich nun ergeben, Gleichstrommotoren
zu verwenden und deren Betriebsstrom über Gleichrichter aus einem Wechselstromgenerator
zu beziehen. Auf diese Art und Weise sind alle Kommutierungsschwierigkeiten bei
den Generatoren vermieden, und diese können mit beliebiger Drehzahl bis zu den-
höchsten Leistungen gebaut werden. Auch diese übertragungsart ist für Schiffsantriebe
bereits vorgeschlagen worden. Man machte hier jedoch den Fehler, daß man sich lediglich
an die Vorbilder der ortsfesten Kraftbetriebe hielt. So verwendete man vielanodige
Gleichrichter mit Gittersteuerung und sah außerdem, da man selbstverständlich einen
Gleichrichter mit mehr als drei Anoden verwenden wollte, einen Zwischentransformator
vor. An und für sich hatte diese Lösung. den Vorteil, daß die mit Industriefrequenz
und konstanter Spannung betriebenen Generatoren gleichzeitig zur Speisung der Hilfsbetriebe,
wie Lüfter, Aufzüge usw., herangezogen werden konnten. Die Gittersteuerung ist jedoch
auf Fahrzeugen nicht zweckmäßig, weil mit ihr insbesondere bei der Anfahrt, wo mit
kleinen Spannungen und hohen Strömen gearbeitet wird, nur ein sehr schlechter Leistungsfaktor
erzielt werden kann. Damit wird aber nicht nur der Gleichrichter wesentlich stärker
beansprucht, sondern es ist auch eine erhebliche Überbemessung des Generators erforderlich.
Außerdem haben - vielanodige Gleichrichter den Nachteil, daß bei ihnen ein Schaden
die ganze Anlage außer Betrieb setzt, so daß dann meistens das Fahrzeug abgeschleppt
werden muß. Auch ein Zwischentransformator ist auf Fahrzeugen wegen seines toten
Gewichtes und der unvermeidlichen Verluste nicht erwünscht.
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Man versuchte diese Nachteile mit einer Schaltung zu beheben, bei
der die Fahrmotoren über Einanodengleichrichter ohne Zwischenschaltung von Transformatoren
und Stromteilern aus der Wicklung des vorteilhaft mit höherer als Industriefrequenz
betriebenen Mehrphasengenerators gespeist werden, der von einer schnell laufenden
Maschine, z. B. einer Gasturbine, unmittelbar angetrieben wird, und daß die Regelung
der Fahrmotorendrehzahl durch Regelung der Generatorspannung geschieht. Durch diese
Anordnung wird zwar eine Anlage mit sehr kleinem Gewicht erzielt, da das Getriebe
zwischen Wärmekraftmaschine und Generator wegfällt und auch bei größten Leistungen
ein schnell laufender, leichtgebauter Drehstromgenerator verwendet werden kann.
Die Frequenz dieses Generators kann beliebig gewählt und auch während des Betriebes
nach Belieben geändert werden. Die unmittelbar an die Generatorwicklung angeschlossenen
Gleichrichter haben wenig Eigengewicht, da nicht nur die Gleichrichtertransformatoren,
sondern auch Anodendrosselspulen u. dgl. fortfallen, wie die nachfolgenden Ausführungen
zeigen. Die Antriebsmotoren für die Triebachsen, die ohnehin mit Rücksicht auf die
Achsleistung unterteilt werden und zweckmäßig die Triebachse unmittelbar über Gelenkkupplungen
antreiben, sind ohne Schwierigkeiten für die benötigte Leistung als schnell laufende
Maschinen auszuführen und durch Verändern der Gleichspannung leicht regelbar.
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Schwierigkeiten ergaben sich aber bei der Wahl und der Schaltung der
Gleichrichter, da hierdurch nicht nur der Platzbedarf und das Gewicht der Gleichrichter
selbst, sondern auch das Gewicht und die Größe des Drehstromgenerators beeinflußt
werden.
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Ein Dreiphasengleichrichter scheidet aus, weil er sowohl auf der Gleichstrom-
als auch auf der Drehstromseite erhebliche Oberwellen entstehen läßt, die für die
Stromwendung der Fahrmotoren wie auch für die Beanspruchung des Generators nachteilig
sind. Ferner erzeugt ein Dreiphasengleichrichter eine erhebliche Gleichstrommagnetisierung
im Generator, da jede Phase immer nur in einer Richtung vom Strom durchflossen wird.
Auch diese Gleichstrommagnetisierung hat ungünstige Rückwirkungen auf die Läufererwärmung
und die Spannungskurve der Maschine. Praktisch kommt also ein Dreiphasengleichrichter
nicht in Frage, sondern bestenfalls ein Sechs- oder Zwölfphasengleichrichter, wobei
im letzteren Fall die Ausführung der Generatorwicklung bereits schwierig wird. Alle
diese Schwierigkeiten werden, jedoch vermieden, und die günstigste Anordnung in
bezug auf das Gewicht der Anlage wird erzielt, wenn bei der beschriebenen Schaltung
nach der Erfindung der mehrphasige Generator zwei Drehstromwicklungen erhält, die
Einanodengleichrichter in Brückenschaltung speisen und von denen die eine im Dreieck
und die andere im Stern geschaltet ist. Dabei sind zweckmäßig den verschiedenen
Drehstromwicklungen verschiedene Fahrmotoren oder Fahrmotorgruppen zugeordnet.
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Die Zeichnung zeigt diese Schaltung. Ein Drehstromgenerator A mit
Erregermaschine C, der von
einer Gasturbine B angetrieben wird,
trägt eine oder mehrere Drehstromwicklungen Dl, D2 USW.
An den drei Phasen
der Wicklung Dl liegen die einanodigen Gleichrichter G1 bis G6. Je zwei dieser Gleichrichter
liegen an einer gemeinsamen Drehstromphase und sind mit der Kathode an die Plusleitung
bzw. mit der Anode an die Minusleitung der Fahrmotoren Hl, H2 und H3 angeschlossen.
In dieser Schaltung werden zwei Gleichrichter- und Fahrmotorengruppen von der Generatorwicklung
D1 gespeist, die z. B. in Dreieck geschaltet ist. Der Generator trägt noch, wie
dies auch schon zur Herabsetzung der Kurzschlußströme ausgeführt wurde, eine zweite
Wicklung D2, die zweckmäßig in Stern geschaltet ist und im übrigen eine gleichartige
Anordnung von Gleichrichtern und Fahrmotoren versorgt.
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Die vorgeschlagene Schaltung vereinigt eine Reihe von Vorzügen: Zunächst
wird gegenüber der Verwendung eines Gleichrichters in Sechsphasenschaltung und auch
gegenüber einem solchen in Doppeldreiphasenschaltung mit zwischen den Nullpunkten
der Drehstromwicklungen liegender Saugdrosselspule die Typenleistung des Generators
auf etwa 6o bis 70'/o verkleinert.
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Wird aber entsprechend der Zeichnung der Generator mit zwei in Stern
bzw. in Dreieck geschalteten Wicklungen versehen, so daß die verketteten Spannungen
der angeschlossenen Leitungen gegeneinander um 30° versetzt sind, so entsteht ohne
zusätzliche Aufwendungen eine Zwölfphasenschaltung mit besonders kleinen Oberwellen
auf der Gleichstrom- und auf der Drehstromseite. Irgendwelche Glättungseinrichtungen
sind daher nicht mehr notwendig. Dabei ist der Drehstromgenerator so günstig beansprucht,
daß er nahezu mit der vollen Nennleistung belastet werden kann - ein für den reinen
Gleichrichterbetrieb außergewöhnlicher Fall. In der Schaltung gemäß der Zeichnung
werden also bei weitem die günstigste Ausnutzung und das. geringste Gewicht für
den Drehstromgenerator erreicht. Dabei ist es gleichgültig, wieviel Fahrmotoren.
von jeder Gleichrichtergruppe gespeist werden. Die angegebene Schaltung hat schließlich
noch den Vorteil, daß die Fahrmotoren nur dann Rückstrom abgeben können, wenn zwei
von den einanodigen Ventilen gleichzeitig rückzünden, da für einen Kurzschlußstromkreis
stets zwei solche Ventile miteinander in Reihe liegen. Ferner wird die Anodenspannung
bei diesen einanodigen Ventilen nur halb so groß wie bei Mehrphasengleichrichtern
mit gleich großer Gleichspannung. Die Betriebssicherheit der angegebenen Schaltung
ist also besonders groß.
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Falls bei besonders großen Leistungen je zwei Ventile zueinander parallel
geschaltet werden sollen, müßten zur Stabilisierung der Stromverteilung Anodendrosselspulen
angewendet werden. Zweckmäßiger ist es jedoch, die Fahrmotoren so zu unterteilen,
daß die Gleichrichter jeweils auf getrennte Motoren oder Motorengruppen arbeiten.
In diesem Fall sind die Anodendrosselspulen., die das Gewicht der Anordnung erheblich
erhöhen würden, unnötig. Außerdem ist eine Trennung der Fahrmotoren bzw. Motorengruppen
stets zweckmäßig, da hierbei die Kurzschlußströme kleiner werden.
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Um die Gleichrichter und den Generator gegen gleichstromseitige Kurzschlüsse,
z. B. die Auswirkung von Kollektorstörungen., schützen zu können, werden die Gleichrichter
zweckmäßig in an sich bekannter Weise mit Gittersteuer- und Sperreinrichtungen versehen.
Damit können jedoch die Rückströme der Fahrmotoren selbst nicht unterdrückt werden,
die im Fall von Rückzündungen mehrerer Gleichrichter auftreten würden. Für diesen
Zweck ist daher der Einbau von überstromschaltern bei den einzelnen Fahrmotoren
bzw. Motorengruppen ünerläßlich.
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Das Anfahren und die Geschwindigkeitsregelung im Betrieb werden am
einfachsten durch Regelung der Generatorspannung vom Erregerstromkreis aus ' vorgenommen.
Durch Steigerung der Generatorspannung werden die Fahrmotoren aufs einfachste angelassen
und beschleunigt. Beim Herabsetzen der Generatorspannung geben die Fahrmotoren keinen
Rückstrom ab, da die Ventile das Auftreten von Rückströmen sperren. Der Generator
läuft daher entsprechend seiner Trägheit und sonstigen Bedingungen aus und muß mechanisch
gebremst werden.
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Andererseits ist es durch Einbau entsprechender Einrichtungen auch
möglich, die Schaltung in an sich bekannter Weise in eine Wechselrichterschaltung
zum Rückarbeiten der Fahrmotoren auf den Drehstromgenerator umzuwandeln. In diesem
Fall treiben z. B. beim Bergabfahren die Fahrmotoren über die Wechselrichter den
Drehstromgenerator an. Die auf den Generator übertragene Leistung kann im Dieselmotor
unter entsprechender Änderung derVentilöffnungszeiten in Form von Kompressionsarbeit
vernichtet werden, wie dies bereits bei Kraftfahrzeugen mit Dieselantrieb bekanntgeworden
ist. Ist die Antriebsmaschine eine Gasturbine, die ihren Luftverdichter selbst antreibt,
so kann dieser Luftverdichter zum Vernichten der Bremsleistung benutzt werden, indem
in seiner Druckleitung eine besondere Ausblaseklappe geöffnet wird.
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Da es im allgemeinen unwirtschaftlich wäre, die Antriebsmaschine auch
bei kleiner Zugleistung mit voller Drehzahl laufen zu lassen, wird mit dem Regler
des'Generators A zweckmäßig eine Steuereinrichtung verbunden, die die Drehzahl der
Wärmekraftmaschine, regelt. Derartige Steuereinrichtungen sind für dieselelektrische
Fahrzeuge bereits bekannt und in größerer Anzahl im Gebrauch. Für den Gasturbinenantrieb
gilt grundsätzlich das gleiche.
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Der Wirkungsgrad einer Gasturbine hängt in hohem Maß von der Gastemperatur
am Turbineneintritt ab, die stets so hoch gehalten werden soll, wie dies mit Rücksicht
auf die Materialeigenschaften der Turbinenschaufeln zulässig ist. Man wird daher
bei kleiner Leistung und geringer Brennstoffzufuhr die Turbinen und den mit ihr
gekuppelten Luftverdichter jeweils nur so schnell
laufen lassen,
daß die für die Aufrechterhaltung der richtigen Gastemperatur notwendige Luftmenge
gerade gefördert wird. In diesem Fall muß die Gasturbinengruppe zunächst beschleunigt,
d. h., die Leistung des Luftverdichters muß vergrößert werden, bevor die Brennstoffzufuhr
zur Maschine erhöht werden kann und größere Nutzleistungen von ihr erwartet werden
können. Die Beeinflussung der Nutzleistung, die im Zusammenhang mit diesen Regelbewegungen
notwendig ist, wird gleichfalls am einfachsten durch den Feldregler des Generators
erzielt, den man daher mit der Gasturbinensteuerung in Zusammenhang bringen wird.