DE176822C - - Google Patents

Description

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- M 176822 KLASSE 21 c. GRUPPE

JAMES DALZIEL in DERBY, England.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung der Spannung von elektrischen Stromverteilungsnetzen, welche von einer mit wechselnder Geschwindigkeit laufenden Dynamomaschine gespeist werden. Die Erfindung ist besonders anwendbar für die Beleuchtung von Eisenbahnwagen und anderen Fahrzeugen, bei denen die Kraft von der Fahrzeugachse abgenommen wird, welche die

ίο Dynamomaschine mit wechselnder Geschwindigkeit umdreht.

Bei solchen Fahrzeugen ist es nötig, in Verbindung mit der Erzeugermaschine eine Sammlerbatterie zu gebrauchen, welche Strom liefert, wenn die Erzeugermaschine nicht in Wirkung ist, beispielsweise während des Anhaltens des Zuges. Zum Laden dieser Batterie muß notwendigerweise eine Spannung erreicht werden, die höher ist als die für die Verbrauchskörper benutzte. Hierdurch wird eine Schwierigkeit eingeführt, die außer der von der wechselnden Geschwindigkeit der Dynamomaschine herrührenden überwunden werden muß.

Bisher war es vielfach üblich, die Erzeugermaschine in solchen Anlagen auf konstante Stromstärke zu regeln. Dies macht das ganze System abhängig von der Sammlerbatterie, da offenbar aller Strom, der in einem gegebenen Augenblicke von den Verbrauchskörpern nicht verbraucht wird, durch die Batterie geht. Umgekehrt bekommt, wenn die Verbrauchskörper viel Strom verbrauchen, die Sammlerbatterie wenig Strom. Es ist ersichtlich, daß die Verbrauchsspannung notwendigerweise mit dem durch die Batterie hindurchgeschickten Strome und dann sich ändernden Ladungszustande der Batterie steigen und fallen wird. Auch wenn Widerstände gebraucht werden, um den Teil der Spannung aufzunehmen, um welchen die zum Laden der Batterie erforderliche Spannung die für die Verbrauchskörper nötige übersteigt, tritt eine Änderung der Spannung an den Verbrauchskörpern auf, wenn die in dem Stromkreise eingeschaltete Anzahl derselben geändert wird.

Durch diese Regelung wird daher die Batterie unnatürlichen und zerstörenden Bedingungen unterworfen, indem sie oft stark geladen wird, wenn kein Laden erforderlich ist, und indem sie ungeladen bleibt, wenn sie erschöpft ist, so daß eine bedenkliche Abnutzung und Verschlechterung der Zellen und ihrer Platten auftritt. Es ist daher ersiehtlieh, daß diese Regelung viel zu wünschen übrig läßt.

Zweck vorliegender Erfindung ist es, die notwendige Regelung dadurch zu erzielen, daß man unter Zulassung geringer Änderungen der Spannung des Hauptgenerators eine konstante Spannung an den Verbrauchskörpern schafft, die unabhängig ist von der in den Stromkreis eingeschalteten Anzahl derselben, von der Zuggeschwindigkeit innerhalb gewisser Grenzen und von der Belastung des Generators. Auf diese Weise wird der Einfluß aller veränderlichen Größen, welche die Spannung an den Verbrauchskörpern verändern könnten, ausgeschaltet. Bei dieser Arbeitsweise kann, soweit die Regelung in Betracht kommt, eine Batterie vollständig

entbehrt werden. Wenn aber eine Batterie zur Speisung der Verbrauchskörper während des Anhaltens des Zuges oder während der langsamen Fahrt derselben gebraucht wird, kann dieselbe so angeordnet werden, daß sie nur zur Stromaufspeicherung dient, und kann dann in der besten Weise behandelt werden, damit eine lange Lebensdauer und eine sehr geringe Abnutzung der Zellen und ihrer

ίο Platten gesichert ist. Dagegen ist während des Arbeitens der Regelungseinrichtung die Spannung an den Verbrauchskörpern vollständig unabhängig von den geringen, gestatteten Spannungsänderungen.

Die zur Ausführung der Erfindung" benutzte Einrichtung besteht aus der das Stromverteilungsnetz speisenden, mit wechselnder Geschwindigkeit laufenden N.ebenschlußdynamomaschine und aus zwei mit konstanter Geschwindigkeit angetriebenen Ankern, von denen der eine in bekannter Weise in den Erregerstromkreis der Hauptmaschine eingeschaltet ist, während der andere in eine der Leitungen eingeschaltet ist, welche von der Hauptmaschine zum Netze führen. Auf die beiden Anker wirkt eine von der Differenz einer konstanten und der von der Hauptmaschine erzeugten Spannung abhängige Felderregung. Der in die von der Hauptmaschine zum Netze führende Leitung eingeschaltete Anker ist derart vor dem Abzweigpunkte zu der Erregerwicklung der Hauptmaschine eingeschaltet, daß er die Wirkung des in den Erregerstromkreis der Hauptmaschine eingeschalteten Ankers auf die Felderregung der Hauptmaschine unterstützt und gleichzeitig die Differenz zwischen der konstant zu haltenden Netzspannung und der Hauptmaschine liefert.

Obwohl Regelungseinrichtungen, bei denen eine in den Erregerstromkreis der Hauptmaschine geschaltete Hilfsdynamomaschine den Erregerstrom der ersteren beeinflußt, bekannt waren, ließ sich doch mittels der bekannten Einrichtungen nicht die im vorangehenden skizzierte Wirkung des Erfindungsgegenstandes erreichen.

In der Fig. 1, die eine Ausführungsform der Einrichtung zur Beleuchtung eines Eisenbahnwagens darstellt, ist α die Hauptmaschine, die entweder unmittelbar oder durch Getriebe von der Fahrzeugachse angetrieben wird. Die Hauptmaschine sollte so gebaut sein, daß sie unter allen Belastungen und in jeder Drehungsrichtung zufriedenstellend arbeitet. Eine im folgenden als Erregermaschine bezeichnete Maschine h erzeugt eine Normalspannung, die an den Ankerklemmen derselben auftritt. Die letztere kann jedoch ersetzt werden durch die magnetomotorische Kraft einer an konstanter Spannung liegenden Erregerspule 40 der Ausführungsform (Fig. 2). Im ersteren Falle kann auch der Anker, in welchem die Normalspannung erzeugt wird, so erregt werden, daß der Betrag der Normalspannung den Änderungen der Spannung an den Verbrauchskörpern entsprechend ■ sich ändert. Diese Hilfsregelung wird durch die Spule 39 erreicht. In den Erregerstromkreis der Nebenschlußdynamomaschine λ sind die beiden Ankerwicklungen oder selbständigen Anker e und/ der Maschine d eingeschaltet, die im folgenden mit Regelungsmaschine bezeichnet wird. Die beiden auf einer Welle sitzenden Maschinen h und d werden von einem Motor c angetrieben. Dieser Motor wird so entworfen, daß er auch bei geringen Änderungen in der Spannung möglichst konstante Geschwindigkeit hat. Der Motor hat im vorliegenden Falle eine Reihenwicklung, die einer Nebenschlußwicklung entgegenwirkt. Durch diese Differentialwicklung werden die Ankerwiderstände ausgeglichen, u sind die Lampen oder sonstigen Verbrauchskörper, die mit Strom gespeist werden sollen. b ist eine Batterie von geeigneter Zellenzahl. Dieselbe ist nur für eine Stromaufspeicherung notwendig und hat für das Arbeiten der Regelungseinrichtung keine Bedeutung. Die Reglermaschine d hat, wie oben angegeben, zwei Ankerwicklungen e und f und ein einziges Feldmagnetsystem mit einem Satze von Feldspulen g. Die Eisenteile des Feldes sollten vorteilhaft schwach gesättigt und lamelliert sein, so daß die Änderungen in der Magnetisierung genau folgen.

Da die Polarität der Klemmen der Dynamo a entsprechend der Drehungsrichtung wechselt, so ist ein Polwechsler j vorgesehen, der die Verbindung zwischen den Klemmen in und η loo selbsttätig ändert, wenn eine Umkehr in der Drehungsrichtung eintritt. Die eine Klemme m bleibt daher stets positiv und die anderen stets negativ. Beim Arbeiten sind die Klemmen m und η unmittelbar mit der positiven und negativen Klemme 0 und ρ der Batterie verbunden. Die positive Klemme m ist ferner mit den positiven Klemmen 24 und 25 der Maschinen d und h verbunden. Mit der negativen Klemme η sind die negativen Klemmen t der Verbrauchskörper verbunden, ebenso die Klemme 2 der Feldwicklungen der Maschinen und die Klemme 3 der Nebenschlußwicklung der Hauptdynamomaschine a.

Der Motor c und die Verbrauchskörper u sind an der positiven Seite mit der Klemme 29 des Ankers e der Regelungsmaschine d verbunden. Es ist dies diejenige Klemme der Ankerwicklung e, welche nicht unmittelbar mit der Dynamomaschine verbunden ist. An der negativen Seite sind Motor c und Verbrauchskörper 11 mit der negativen Klemme η

direkt verbunden. Die Hilfswicklung 39 der Erregermaschine h ist ebenfalls an diese Punkte angeschlossen und wird daher beeinflußt durch jede Spannungsänderung, die an dem Stromkreise der Verbrauchskörper auftritt. ■ Die Spannung an diesem Stromkreise, "nämlich diejenige zwischen* der Klemme 29 und der Klemme η soll durch die später angegebenen Mittel konstant erhalten werden.· Die Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Ausführung der Regelungseinrichtung ist folgende: Treibt der Motor c die Erregermaschine h und die Regelungsmaschine d mit konstanter Geschwindigkeit an, so wird an der Erregermaschine h das Normalpotential erzeugt, welches bei dieser Ausführungsform vorteilhaft gleich dem der Verbrauchskörper ist.

Es besteht nun folgender Stromlauf von der positiven Generatorklemme m über die

ao positive Klemme 25 der Erregermaschine h und durch ihren Anker und ihre Nebenschlußwicklung und die Feldwicklung g der Regelungsmaschine d zu den negativen Klemmen 2 und n. Die Normalspannung der Erregermaschine h wird daher ausgeglichen gegen diejenige des Hauptgenerators. Die Spule g steht also in jedem Augenblicke unter dem Einflüsse einer Spannung, die sich nach Größe und Richtung als Differenzspannung der Spannung des Hauptgenerators und der in h bestehenden Normalspannung ergibt. Da die Wicklungen e und f, auf die g wirkt, nun so gewunden sind, daß in beiden zusammen eine Spannung induziert wird, die ein Vielfaches der an der Feldwicklung g bestehenden Spannung ist, so wird, wenn die Spannung an dem Hauptgenerator steigt, für je ι Volt Steigung dieser Differenzspannung die Spannung an der Feldwicklung des Generators (zwischen den Klemmen 9 und 3) um 1 Volt multipliziert mit dem gewählten Vervielfältigungsfaktor reduziert, da die Erregerwicklung des Hauptgenerators mit den beiden Ankern e und f in Reihe liegt. Bei einer höheren oder niedrigeren Spannung würde, je nachdem der gewählte Vervielfältigungsfaktor klein oder groß ist, ein Punkt erreicht werden, wo die Felderregung des Hauptgenerators gleich Null werden würde. Offenbar ist hierdurch ein Maximalwert der erzeugten Spannung festgesetzt, der niemals voll erreicht werden kann, und die Spannungsschwankungen sind auf diese Weise auf vorher bestimmbare Werte beschränkt. Sollte die Generatorspannung unter die Normalspannung fallen, so kehrt sich der Strom in der Feldwicklung g um, und die Ankerwicklungen e und f verstärken die Wirkung der Erregerspule 9, 3. Der Strom für die Stromkreise mit konstantem Potential, welche die Verbrauchskörper u und den Motor c speisen, wird von der Klemme 29 der Wicklung e abgenommen , mit welcher c und u verbunden sind. Die Wicklung e hat einen Vervielfältigungsfaktor von der Größe »Einsa. Sie gibt daher stets eine Spannung, die gleich der an ihrer Feldwicklung g bestehenden ist. Es wird daher durch die Spule e stets von der Spannung des Hauptgenerators genau der Betrag an Spannung heruntergenommen oder hinzugefügt, der nötig ist, die Hauptspannung so zu reduzieren oder zu erhöhen, daß sie der Normalspannung gleich wird. Hierdurch wird die Spannung zwischen den Klemmen 29 und n, d. h. die Spannung des den Motor c und die Verbrauchskörper u speisenden Stromes konstant gehalten. Der gesamte Vervielfältigungsfaktor, mit dem die beiden Wicklungen e und / die Spannung an g multiplizieren, wird in geeigneter Weise so gewählt, daß die mittlere Generatorspannung geeignet ist, die Batterie bei konstantem Potentiale zu laden, aber auch nicht zu hoch ist, um den Ladestrom nahezu auf Null, herabsinken zu lassen, wenn die elektromotorische Gegenkraft der Batterie gegen Ende der Ladung steigt. Zur Berechnung dieser Endspannung nimmt man 2,25 bis 2,3 Volt für eine Zelle an.

Zur Erläuterung sei hier noch folgendes Zahlenbeispiel angefügt:

Nehmen wir an, die für die Verbrauchskörper u verlangte Spannung sei 20 Volt; dann wird die Erregermaschine h für diese Spannung gewickelt. Wenn der Vervielfältigungsfaktor in e und/ beispielsweise 5, d. h. eins in e und vier in f ist, dann herrscht, wenn die Spannung des Hauptgenerators auf

24 Volt steigt, an g eine Spannung von

4 Volt, an e ebenfalls 4 Volt und an /100 16 Volt. Die richtige Spannung von (24—4)Xi = 20 Volt wird daher nach c und u geliefert, während an den Klemmen 9 und 3 nur (24—4) Xi — (4x4) = 4 Volt besteht. Könnte die an α erzeugte Spannung auf

25 Volt ansteigen, so würde an 9,3 eine Spannung von (25 — S) X 1 — (5X4) = ο Volt vorhanden sein. Ein Vervielfältigungsfaktor 5 würde daher eine maximale Grenzspannung von 25 : 10 = 2,5 Volt pro Zelle no geben. Ein höherer Vervielfältigungsfaktor würde diesen Wert natürlich reduzieren,.

Im folgenden ist noch eine von den Verbrauchskörpern ausgehende selbsttätige Regelung des Systems durch eine Korrigierung der Normalspannung beschrieben.

Die Erregermaschine h wird im allgemeinen nur durch ihre eigene Erregerwicklung als Nebenschlußmaschine erregt. Es kann aber noch eine zweite Erregerwicklung für die Maschine h vorgesehen sein, und zwar die Wicklung 39, die, wie schon früher gesagt

ist, an der Spannung der Verbrauchskörper liegt und so geschaltet ist, daß sie der eigenen Erregerspule der Maschine entgegenwirkt, so daß eine Differentialwirkung zustande kommt. Wenn nämlich aus irgend einem Grunde die Spannung an den Verbrauchskörpern steigt, so wird die Wirkung der Spule 39 stärker als die der eigenen Erregerwicklung, und das Feld von h wird geschwächt, und damit die Spannung an h erniedrigt. Die Wirkung dieser Erniedrigung der Normalspannung auf g und damit auf die Wicklungen e und f ist derart, daß die Spannung des Hauptgenerators und so die Spannung an den Verbrauchskörpern erniedrigt wird und wieder auf ihren richtigen Wert hinabgeht. Die Spule 39 kann zwischen irgend zwei Punkte geschaltet werden, die auf konstanter Spannung gehalten werden sollen.

Weiterhin können geeignete Schalter vorgesehen werden, um die Dynamomaschine bei den passenden Zuggeschwindigkeiten ein- und auszuschalten, oder um irgend eine Gruppierung der Lampen oder eine Abänderung der Schaltung zu bewirken.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher das Normalpotential durch die magnetomotorische Kraft einer Spule 40 ersetzt wird, welche zwischen die konstantes Potential besitzenden Hauptleitungen der Verbrauchskörper geschaltet ist. Die magnetomotorische Kraft dieser Spule ist ausgeglichen gegen diejenige der Spule 41, welche zwischen die wechselndes Potential besitzenden Leiter des Hauptgenerators von m nach 2 und η geschaltet ist. In den Regelungsankern e und f wird bei dieser Ausführungsform dieselbe Wirkung erzielt wie bei der der Fig. 1. Auch die Wirkung auf die Erregung des Hauptgenerators und auf die Spannung der Gebrauchskörper ist dieselbe.

Claims (4)

1. Patent-Ansprüche:

   I. Einrichtung zur Regelung der Spannung von elektrischen Stromverteilungsnetzen, welche von einer mit wechselnder Geschwindigkeit laufenden Nebenschlußdynamomaschine gespeist werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Differenz einer konstanten und der von der Hauptmaschine (a) erzeugten Spannung abhängige Felderregung auf zwei mit einander gekuppelte, mit konstanter Geschwindigkeit angetriebene Agker (e und/J wirkt, von denen der eine (f) in bekannter Weise in den Erregerstromkreis der Hauptmaschine (a) eingeschaltet ist, während der andere (e) in die eine der von der Hauptmaschine (a) zum Netze führenden Leitungen vor dem Abzweigepunkte zu deren Erregerwicklung derart eingeschaltet ist, daß er die Wirkung des Ankers (f) auf die Felderregung der Hauptmaschine unterstützt und gleichzeitig die Differenz zwischen der konstant zu haltenden Netzspannung und der der Hauptmaschine liefert.
2. 2. Ausführungsform der Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung der Anker (e und f) durch eine Wicklung (g) erfolgt, an deren Klemmen die Differenz der Spannung der Hauptmaschine (a) und einer eine konstante Normalspannung liefernden Maschine (h) wirkt.
3. 3. Ausführungsform der Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld der die Normalspannung liefernden Maschine (h) durch die Nebenschlußwicklung und durch eine dieser entgegenwirkende, an die Netzspannung angeschlossene Wicklung 39 erregt wird, zum Zweck, bei plötzlichen Spannungsänderungen im Stromkreise der Verbrauchskörper auch von hier. aus die Regelung der Hauptmaschinenspannung bewirken zu können.
4. 4. Ausführungsform der Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung der Anker (e und f) durch zwei einander entgegenwirkende Wicklungen (40 und 41) erfolgt, von denen die eine an das Netz von der konstant zu haltenden Spannung und die andere an die Klemmen der Hauptmaschine (a) angeschlossen ist.

   Hierzu ι Blatt "Zeichnungen.