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Antriebssvstem fur ein Fahrzeug
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 genannten Art.
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Es ist bekannt, zur Nutzbremsung bei einem elektrisch angetriebenen
Fahrzeug Steuerschaltungen mit Thyristor-Choppern zu verwenden. Voraussetzung für
die Anwendung einer derartigen Schaltung ist, daß ein anderes elektrisch angetriebenes
Fahrzeug die zurückgewonnene Energie aufnehmen kann. Ist nur ein einziges Fahrzeug
vorhanden, fur das eine Nutzbremsung vorgesehen ist, so kann Energie weder zurückgewonnen
noch eine elektrische Bremsung vorgenommen werden. Im Gegensatz hierzu ermöglicht
es das vorgenannte Antriebs system mit einem Schwungradgenerator in den meisten
Fällen Energie beim Bremsen zurückzugewinnen, so daß eine elektrische Bremsung sichergestellt
ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Antriebssystem zu schaffen, das
so einfach wie möglich im Aufbau ist und das optimale Beschleunigungsvorgänge ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird bei einem Antriebs system der vorgenannten Art
durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene MaB-nahme gelöst. Durch die
Speisung des Antriebsmotors vom Speisenetz und vom Schwungradgenerator wird erreicht,
daß der Schwungradgenerator nioht nur als Energiespeicher sondern auch zur Erzielung
einer gewünschten Beschleunigung dienen kann, so daß andere Steuermittel, wie z.B.
Thyristor-Chopper nicht erforderlich sind und sich eine einfache Antriebsschaltung
ergibt.
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Eine Einstellung der Spannung des Schwungradgenerators kann durch
Feldsteuerung bei Verwendung einer üblichen Gleichstrommaschine als Generator und
durch Anschnittsteuerung eines Stromrichters bei Verwendung einer kommutatorlosen
Gleichstrommaschine erfolgen, die aus einem Stromrichter und einer Synchronmaschine
gebildet ist. Die Klemmenspannung des Schwungradgenerators kann in den Arbeitsbereichen
geändert werden, wo er als Motor und als Generator arbeitet. Ist die erforderliche
Gleichspannung für den Antriebsmotor des Fahrzeugs kleiner als die Speisespannung,
so arbeitet der Schwungradgenerator als Motor, wobei er eine entgegengesetzte Polarität
zur Speisespannung hat, so daß Energie im Schwungrad gespeichert wird. Ist die erforderliche
Gleichspannung des Antriebsmotors höher als die Gleichspannung der Speisequelle,
so arbeitet der Schwungradgenerator im Generatorbetrieb und hat eine Polarität die
mit der Spannung der Speisequelle übereinstimmt, so daß aus dem Schwungrad gespeicherte
Energie entnommen wird, die einen Teil der zur Beschleunigung des Fahrzeuges erforderlichen
Energie bildet. Falls die Spannung des Schwungradgenerators sich in einem Bereich
zwischen einem negativen Wert, der gleich der Speisequelle (in ihrer absoluten Höhe)
ist und einem entsprechenden positiven Wert ändern kann, so ist eine Änderung der
an den Antriebsmotor des Fahrzeuges angelegten Gleichspannung von Null bis zum zweifachen
Wert der Spannung der Speisequelle möglich.
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Es ist zweckmäßig, ttittel vorzusehen, um den Antriebsmotor ausschließlich
mit einer gewünschten Spannung des Schwungradgenerators zu speisen, wenn ausreichend
Energie im Schwungrad gespeichert ist, vorausgesetzt, daß die erforderliche Speisegleichspannung
kleiner ist als die Spannung der Speisequelle, d.h. vorausgesetzt daß die benötigte
Drehzahl kleiner ist als diejenige, die zur Erzeugung einer der Speisegleichspannung
ungefähr gleichen Induktionsspannung im Antriebsmotor notwendig ist (Bereich der
kleinen Geschwindigkeitsstufe, die später noch erläutert wird). Zu diesem Zweck
ist es vorteilhaft, einen Schalter zwischen die Gleichspannungsquelle und einem
Serienpfad zu schalten, der durch den Antriebsmotor und den Schrung-
radgenerator
gebildet ist, und eine Diode parallel zu diesem Serienpfad anzuordnen. Wird dieser
Schalter geschlossen, so wird die Diode negativ beaufschlagt und verhindert einen
Stromfluß, so daß die Speisegleichspannung und die Spannung des Schwungradgenerators
am Hauptmotor liegen. Ist der Schalter offen, so ist nur die Spannung des Sehwungradgenerators
Uber die Diode an den Hauptmotor gelegt. Dies wird durch Schließen eines Schalters
bei einen 3eweiligen Beschleunigungsvorgang des Fahrzeuges bewirkt, damit das Schwungrad
eine gewUnschte Energie speicherung durchführen kann unter Vermeidung einer zufälligen
Abnahme derselben.
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Mit dem Erhöhen der Spannung des Sch>ungradgenerators steigt die
Beschleunigung des Elektromotorfahrzeugs oder des Antriebsmotors und nach Erreichen
des vorgegebenen Maximus der Spannung des Schwungradgenerators wird eine weitere
Beschleunigung, falls erforderlich, durch Feldschwächung des Hauptmotors erzielt.
In diesem Fall ist es von Vorteil: mehrere Antriebsmotoren vorzusehen, die untereinander
in Reihe geschaltet sind, wenn die Spannung des Schwungradgenerators kleiner ist
als ihr Maxi-n; die Verbindung der Antriebsmotoren in eine Parallelschaltung zu
andern und die Verbindung der Gleichspannungsquelle und des Schwungradgenerators
von der Serienschaltung in eine Paralleischaltung zu ändern, wenn die erwähnte große
Beschleunigung erforderlich wird.
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Mit einer derartigen Anordnung kann folgender Vorteil erreicht werden:
in einem hohen Geschwindigkeitsbereich ,in dem Feldschwächung stattfindet, wird
durch Veränderung einer Lastaufteilung zwischen der Speisequelle und dem Schwungradgenerator
durch Spannungsregulierung des Generators erreicht, daß eine erforderliche Energiespeicherung
im Schwungrad gehalten wird.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand von Ausftlhrungsbeispielen
im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, Darin zeigen:
Fig.
1 eine schematische Darstellung der elektrischen Schaltung eines Antriebssystems,
Fig. 2 eine andere Schaltung eines Antriebsssystems, Fig. 3, 4 und 5 schematische
Diagramme der sich ändernden Lastaufteilung während der Beschleunigung und Fig.
6 eine schematische Darstellung eines elektrischen Schaltkreises für einen Bremsvorgang
entsprechend dem Antriebssystem der Fig. 2.
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In Fig. 1 ist mit 1 ein Hauptantriebsmotor bezeichnet, von dem der
Anker 11 und die Feldwicklung 12 dargestellt sind. Es ist nur ein einziger Motor
gezeigt, es können Jedoch mehrere Motoren in Serien- oder Parallelschaltung miteinander
verbunden sein.
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Mit 3 ist ein Schwungradgenerator bezeichnet, von dem nur der Läufer
31 und eine Feldwicklung 32 dargestellt sind. An der Welle des Schwungradgenerators
3 ist ein hier nicht gezeigtes Schwungrad angeordnet, das ein großes Trägheitsmoment
besitzt.
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Der Hauptantriebsmotor 1 ist in Reihe mit dem Schwungradgenerator
3, einem Schalter 4 und einem Stromabnehmer 6 mit dem Fahrdraht 7 verbunden, der
an einem positiven Leitungspol einer Gleichspannungsquelle angeschlossen ist.
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Wird der Schalter 4 geschlossen, so ist der Serienstrompfad mit der
Speisequelle verbunden, und der Hauptantriebsmotor 1 wird mit einer Gleichspannung
E + EF gespeist, welche sich aus der Fahrdrahtspannung E und der Spannung EF des
Schwungradgenerators zusammensetzt. Die Gleichspannung E + X kann wahlweise von
Null bis zum Wert 2E verändert werden und zwar durch kontinuierliche oder stufenweise
Änderung der Spannung des Schwungradgenerators EF vom Wert -E zum Wert +E. Es ist
zweckmäßig, die Schwungradgeneratorspannung EF so einzustellen, daß ein einem Steuerbefehl
entsprechender Motorstrom erzielt wird. Auf diese Weise kann eine Beschleunigung
bei konstantem Strom erreicht werden bis die Schwungradgeneratorspannung EF ihren
vorgegebenen maximalen Wert (z.B. +E) erreicht hat. Ist das Maximum des Spannungswertes
EF erreicht, so kann eine weitere Beschleunigung, falls dies gewünscht wird, durch
eine Feldschwächung im Hauptantriebsmotor vorgenommen werden, wobei eine Beschleunigung
bei konstanter Kraft erzielt wird.
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Im folgenden wird der Ausdruck kleiner Geschwindigkeitsbereich" für
einen Abschnitt verwendete bei dem eine Beschleunigung bei konstantem Strom erzielt
wird und in dem die induzierte Spannung z im Hauptantriebsmotor kleiner ist als
die Gleichspannung E der Speisequelle. Ein wsittlerer Geschwindigkeitsbereich" bezeichnet
einen anderen Abschnitt einer weiteren Beschleunigung bei konstantem Strom entsprechend
einem Bereich, in dem die im Hauptantriebsmotor induzierte Spannung z höher ist
als die Spannung E. Ferner bezeichnet der Ausdruck "hoher Geschwindigkeitsbereich"
einen Beschleunigungsabschnitt bei konstanter Zugkraft.
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In dem kleinen Geschwindigkeitsbereich arbeitet der Schwungradgenerator
3 als Motor, so daß Energie im Schwungrad gespeichert wird. Deshalb ergibt sich
im Schwungrad eine Energiespeicherung, die sich aus der gespeicherten Energie vor
dem Start des Wagens und einem Zuwachs an Speicherenergie zusammensetzt, der im
kleinen Geschwindigkeitsbereich entsteht. Die gespeicherte Energie wird vom Schwungrad
abgegeben als Teil der Antriebsenergie und zwar später in dem mittleren Geschwindigkeitsbereich
oder in dem hohen Geschwindigkeitsbereich.
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Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß daß Schwungradgenerator
nicht nur zur Energiespeicherung sondern auch zur Steuerung der Beschleunigung dienen
kann und daß es möglich ist Energie im Schwungrad während der Beschleunigung im
kleinen Geschwindigkeitsbereich zu speichern.
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Tatsächlich kann die Speichermenge in dem Schwungrad verschiedene
Werte haben. Ist die Speichermenge Null oder nahezu Null, so ist es möglich, Energie
direkt von der Speiseleitung in den Schwungradgenerator zu speisen, bevor das Fahrzeug
startet, um eine bestimmte Menge von Energie in dem Schwungrad zu speichern.
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Aber es ist im Hinblick auf dem Umwandiungswirkungsgrad besser, eine
direkte Einspeisung in den Schwungradgenerator 3 vor den Start des Fahrzeuges zu
vermeiden, wenn das Schwungrad mit mehr als einer vorgegebenen Mindestdrehzahl umläuft.
In vorteilhntter Weise kann auch bei einem Beschleunigungsvorgang eine Energie-
speicherung
im Schwungrad auch nach einer vorgegebenen Beschleunigungskurve vorgenommen werden.
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Hat die Energiespeicherung im Schwungrad einen erforderlichen Wert
erreicht, so daß kein weiterer Anstieg der Speicherenergie erforderlich ist, wird
nach einer Weiterbildung der Erfindung der Hauptantriebsmotor allein von dem Schwungradgenerator
mit Energie gespeist und hierzu das System mit Mitteln versehen, die ein leichtes
Umschalten ermöglichen. Eine einfache Ausführung erhält man durch Einschalten einer
Diode 5 parallel zur Reihenschaltung des Schwungradgenerators 3 und des Hauptantriebsmotors
1, wie dies Fig. 1 zeigt. Ist der Schalter 4 offen, so wird der Hauptantriebsmotor
mit Gleichspannungsenergie nur über den Schwungradgenerator über die Diode 5 gepeist.
Wird der Schalter 4 geschlossen, so sperrt die Diode 5 selbsttätig. Ein Schließen
des Schalters 4 nachdem die induzierte Spannung EF im Hauptantriebsmotor 1 nahezu
den Wert der Fahrdrahtgleichspannung E erreicht hat, bewirkt, daß die Speicherenergie
im Schwungrad während des kleinen Geschwindigkeitsbereiches nicht ansteigt, während
ein Schließen des Schalters 4 zu Beginn des Anfahrens des Fahrzeuges eine Energiespeicherung
in dem kleinen Geschwindigkeitsbereich zur Folge hat. Durch wahlweises Schließen
des Schalters 4 in vorgegebenen Zeiten des kleinen Geschwindigkeitsbereiches kann
die Energiespeicherung in gewünschter Weise gesteuert werden, so daß die Speicherenergie
des Schwungrades in einem gewünschten Bereich gehalten werden kann.
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In Fig. 2 ist eine Schaltung gezeigt, die eine Steuerung der Energiespeicherung
im Schwungrad über einen großen Bereich ermöglicht. Es sind zwei Hauptantriebsmotoren
1 und 2 vorgesehen, von denen der zweite einen Anker 21 und eine Feldwicklung 22
besitzt. Ein Schwungradgenerator 3 ist zwischen den beiden Motoren angeordnet und
in Reihe mit diesen geschaltet. Ein Anschluß des Generators 3, der unmittelbar mit
dem Motor 2 verbunden ist, kann auch über einen Schalter 81 mit einem entgegengesetzten
Anschluß des Motors 1 verbunden werden. Der andere Anschlui3 des Generators 3 kariri
durch einen weiteren Schalter 82 mit einem entgegengesetzten Anschluß des iiotors
2
verbunden werden.
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Im kleinen Geschwindigkeitsbereich sind die Schalter 81 und 82 offen,
so daß der Beschleunigungsvorgang ähnlich abläuft wie bereits zu Fig. 1 geschildert.
Eine Spannung EX, die sich aus der induzierten Spannung EX1 im Hauptantriebsmotor
1 und einer induzierten Spannung EM2 im Hauptantriebsmotor 2 zusammensetzt, steigt
entsprechend der Beschleunigung an. Nachdem die Spannung EM = EM1 + + 2 den Wert
2E, d.h. den zweifachen Wert der Fahrdrahtspannung erreicht hat (dabei ist die Generatorspannung
EF annähernd gleich der Fahrdrahtspannung E), werden die Schalter 81 und 82 geschlossen,
falls eine Beschleunigung bei konstanter Zugkraft durch Feldschwächung in den Motoren
1 und 2 (oder der hohe Geschwindigkeitsbereich) gefordert wird. Durch Schließen
der Schalter 81 und 82 wechselt die Verbindung der Motoren 1 und 2 von der Serienschaltung
in eine Parallelschaltung, und der Schwungradgenerator 3 liegt parallel zu den Motoren
1 und 2, so daß die Gleichspannungsquelle und der Generator 3 Energie parallel in
Werden der Motoren 1 und 2 einspeisen. Das Schließen der Schalter 81 und 82 ist
nicht mit einem Stoß begleitet, da sowohl die Generatorspannung Ey als auch die
induzierte Spannung 1 und F2 der Hauptantriebsmotoren annähernd gleich mit der Fahrdrahtgleichspannung
E sind.
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Im hohen Geschwindigkeitsbereich wird eine Geschwindigke5'ssteigerung
nach einer gewünschten Beschleunigungskurve durch Feld schwächung der Hauptantriebsmotoren
1 und 2 vorgenommen.
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Die gesamte erforderliche Antriebskraft wird vom Fahrdraht und vom
Schwungradgenerator geliefert, wobei die Aufteilung der Last zwischen Fahrdraht
und Generator durch Regelung der Spannung des Schwungradgenerators erfolgen kann,
so daß die Leistung, die der Schwungradgenerator abgibt, in gewünschter Weise eingestellt
werden kann, wodurch es erleichtert wird, die Energiespeicherung im Schwungrad in
einem gewünschten Bereich zu halten.
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Dabei kann durch Regelung der Spannung des Schwungradgenerators abhängig
von der Drehzahl des Schwungrades eine gewünschte sanfte Beschleunigung erzielt
werden.
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In den Figuren 3, 4 und 5 sind verschiedene Beschleunigungsvorgänge
gezeigt. In der Ordinate ist die Zugkraft und in der Abszisse die Zeit aufgetragen.
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Fig. 3 zeigt einen Fall, in dem die Hauptantriebsmotoren 1 und 2 in
den gesamten Geschwindigkeitsbereichen von kleiner bis hoher Geschwindigkeit in
Serie miteinander verbunden bleiben, so daß eine Beschleunigung bei konstantem Strom
in dem kleinen Geschwindigkeitsbereich allein durch die Spannung des Schwungradgenerators
erreicht wird. Eine weitere Beschleunigung bei konstantem Strom wird in dem mittleren
Geschwindigkeitsbereich durch die Generatorspannung plus der Fahrdrahtspannung erzielt
und eine Beschleunigung bei konstanter Zugkraft wird durch Feldschwächung der Hauptantriebsmotoren
in dem hohen Geschwindigkeitsbereich ermöglicht.
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Fig. 4 zeigt einen ähnlichen Fall wie er in Fig. 3 dargestellt ist,
mit Ausnahme des kleinen Geschwindigkeitsbereiches, in dem der Schalter 4 von Beginn
an geschlossen ist.
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In Fig. 5 ist ein anderer Fall dargestellt, bei dem der mit-tlere
Geschwindigkeitsbereich ähnlich dem in Fig. 3 ist, wobei im hohen Geschwindigkeitsbereich
die Schalter 81 und 82 geschlossen sind, so daß die Hauptstrommotoren einander parallel
geschaltet sind.
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In den Fig. 3 - 5 zeigt der schraffierte Bereich die vom SchMaunÕ-rad
zugeführte Energie, ein schwarzes Feld die Energie, die dem Schwungrad zugeführt
wird und der übrige Teil die Energie, die vom Fahrdraht in die Hauptantriebsmotoren
gespeist wird. nei dem in Fig. 3 gezeigten Fall kann nahezu die Hälfte der insgesamt
benötigten Beschleunigungsenergie der im Schwungrad gespeicherten Energie entnommen
werden. In diesem Fall kann es sein, daß die gespeicherte Energie in dem Schwungrad
für die Beschleunigung nicht ausreicht, so daß die Drehzahl des Schs zXorades in
unerçunschter Weise gerade bei der Beschleunigung i, hohen Geschwindigkeitsbereich
fällt, was zur Folge hat, daß die gewünschte Speisegleichspannung abfällt.
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In einem solchen Fall ist es möglich, aber nicht vorzuziehen, das
Elektromotorfahrzeug zeitweilig im Freilauf zu betreiben, was mit einer Rückkehr
der Speicherenergie in dem Schwungrad durch direktes Einspeisen der Leistung in
den Schwungradgenerator von der Fahrleitung verbunden ist. Die Speicherenergie im
Schwungrad im kleinen Geschwindigkeitsbereich zu erhöhen - wie dies in Fig. 4 gezeigt
ist - kann bis zu einem gewissen Umfang wirksam sein aber möglichst nicht über den
gesamten erforderlichen Beschleunigungsvorgang. In dem in Fig. 5 gezeigten Fall
kann ein unerwünschter Rückgang in der Drehzahl des Schwungrades vermieden werden,
wenn die Aufteilung der Last zwischen Speisequelle und Schwungradgenerator in der
angedeuteten Weise gesteuert wird, d.h. wenn die Abnahme der von dem Schwungrad
abgegebenen Energie abhängig von der Drehzahl des Schwungrades gesteuert wird.
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Fig, 6 zeigt einen Bremskreis, der der Fahrschaltung in Fig. 2 entspricht.
Nach Beendigung des Fahrbetriebes wird in dem in Fig. 2 gezeigten Kreis der Hauptantriebsmotor
von der Speisequelle getrennt, so daß er leer läuft, und dann wird durch eine entsprechende
Umschaltung die in Fig. 6 gezeigte Bremsschaltung hergestellt, so daß das Bremsen
beginnt. In der Figur sind die Hauptantriebsmotoren 1 und 2 parallel mit dem Generator
3 verbunden. Dabei wird die gezeigte Kreuzschaltung der Reihenschlußwicklungen bevorzugt.
Die Hauptantriebsmotoren arbeiten als Generatoren und führen die Bremsenergie als
elektrische Energie dem als Motor arbeitenden Schwungradgenerator 3 zu, in dessen
Schwungrad die Energie als kinetische Energie gespeichert wird. Während der Hauptstrommotor
voll erregt wird und die im Schwungradgenerator 3 induzierte Spannung durch Feldsteuerung
geregelt wird, kann der Strom der Hauptantriebsmotoren entsprechend einem Steuerbefehl
beeinflußt werden, so daß die Bremskraft in gewünschter Weise eingestellt werden
kann.
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6 Figuren 8 Ansprüche
L e e r s e i t e