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Schaltung zur Regelung der Fahrmotorspannung von Wechselstromtriebfahrzeugen.
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Stellen angezapft, so dass man aus ihr eine Reihe verschiedener Spannungen, z. B. in zehn Stufen von 50 bis 500 Volt entnehmen kann. Der Fahrstrom wird dem Treibmotor M über zwei Sammelschienen 81 und 82, welche sich über einen Stromteiler mit der Wicklung ACB vereinigen, zugeleitet. Die einzelnen Spannungsstufen 1-10 des Transformators sind über Schalter beliebiger Bauart abwechselnd an die beiden Sammelschienen angeschlossen, so dass alle geradzahligen und alle ungeradzahligen Stufen je auf die eine bzw. die andere Sammelschiene geschaltet werden können. Soweit die Schaltung bis jetzt beschrieben wurde, ist sie aus vielen Ausführungen elektrischer Wechselstromtriebfahrzeuge bekannt.
Durch sie kann zwar die Spannung des Treibmotors ohne Unterbrechung der Stromzufuhr von Stufe zu Stufe geändert werden, da des Stromteilers wegen zwei benachbarte Stufenschalter zugleich eingeschaltet bleiben können. Die Spannung wird aber durch das Öffnen und Schliessen der Stufenschalter stets sprungweise geändert.
Nach der Erfindung lässt sich nun aber die Spannung dann stufenlos regeln, wenn man die Stromteilerwicklung AOB auf den feststehenden Kern J eines Schubtransformators SCHER aufbringt. Auf seinen verschiebbaren Jochen JJ sind in bereits bekannter Weise die Jochwicklungen DF und EF, nebst den zur Unterdrückung von Streuflüssen nötigen Ausgleichs-und Sperrwicklungen, die in den Abbildungen nicht besonders gezeichnet sind, untergebracht. Beide Jochwicklungen liegen im Punkte F an Erde und werden an den Punkten D und B von derselben dem Haupttransformator an der Klemme X zu entnehmenden Spannung gespeist.
Der Schubtransformator hat nun die Aufgabe, einmal die ohne seine Mitwirkung sprungweise Änderung der Motorspannung beim Wechsel der Stufenschalter durch eine völlig stetige zu ersetzen und daneben zu erreichen, dass das Öffnen und Schliessen der Stufenschalter ohne Spannungsunterschied zwischen den schaltenden Kontakten vor sich gehen kann. Dass der Schubtransformator hier diese Aufgabe zu erfüllen vermag, lässt sich erkennen, wenn man die Vorgänge bei der Änderung der Motorspannung im einzelnen näher verfolgt.
Zunächst sind die Schalter 3 und 4 geschlossen, die Joche JJ des Schubtransformators befinden sich in ihrer linken Endstellung (Fig. 1). Die Klemmenspannung der Stromteilerwicklung ACB ist gleich dem Spannungsunterschied der zwei benachbarten Transformatorstufen 3 und 4. Sie induziert in der Stromteilerwieklung selbst eine Gegen-EMK von annähernd derselben Grösse und in der sie in der Stellung der Fig. 1 umschliessenden Jochwicklung DF eine EMK, deren Höhe durch das Verhältnis der Windungszahlen beider Wicklungen bestimmt ist. Der EMK der Jochwicklung DF hält die von der Klemme X des Haupttransformators kommende Spannung das Gleichgewicht. Die beiden Wicklungen AOB und DF bilden nun miteinander einen Manteltransformator, der durch parallel geschaltete Stromkreise primär oder sekundär erregt werden kann.
In der Mitte 0 der Stromteilerwicklung ACB herrscht jetzt die Spannung von 175 Volt gegen Erde. Je die Hälfte des Motorstromes fliesst über die Schalter 3 und 4, so dass sich die Durchflutungen in den Zweigen AO und BO der Stromteilerwieklung gegenseitig aufheben.
Öffnet man nun den Schalter 3 so muss der ganze Motorstrom über den Schalter 4 und die Wicklung BO des Stromteilers fliessen. Nun ist zwar der eine den Schubtransformator erregende Stromkreis 3- A-O- B - 4 geöffnet, der zweite Kreis X-D-F-Erde aber ist nach wie vor geschlossen und es wird daher bei unverändert gebliebener Spannung an Klemme X auch noch dieselbe EMK in der Stromteilerwicklung induziert. An der Verteilung der Spannung in ihr und damit an der Motorklemmenspannung hat sich demnach durch das Öffnen des Schalters 3 nichts geändert. Die Durchflutung der Wicklung BC aber hat sich jetzt verdoppelt, wogegen Wicklung AO stromlos geworden ist.
Zur Herstellung des Gleichgewichts fliesst darum jetzt in der Joehwicklung DF ein Arbeitsstrom von der Höhe, dass seine Durchflutung die der Wicklung BC aufhebt. Es wird in dem betrachteten Falle nun Leistung aus der Stromteilerwicklung entnommen und durch den Schubtransformator dem Haupttransformator über dessen Klemme X wieder zugeführt.
An dieser Stelle muss darauf hingewiesen werden, dass die Stromteilerwieklung ACB so auf den Kern des Schubtransformators aufgebracht werden muss, dass sich bei beliebiger Stellung der Stufenschalter die vom Motorstrom herrührenden Durchflutungen entweder gegenseitig oder unter Zuhilfenahme einer entsprechenden Durchflutung der Jochwicklung aufheben. Man führt zu diesem Zweck die Stromteilerwicklung, wie in Fig. 4 dargestellt, mit parallel geführten Leitern, also gewissermassen bifilar aus und schliesst ihre Enden so an die Sammelschienen 81 und 82 an, dass die beiden Wicklungshälften vom Magnetisierungsstrom gleichsinnig, vom Motorstrom aber gegenläufig durchflossen werden. Damit erreicht man dann auch möglichst geringe Streuflüsse zwischen Kern-und Jochwicklung.
Bewegt man nach der Öffnung des Schalters 3 die Joche JJ in der Pfeilrichtung, so ändert sich die Grösse des die Stromteilerwicklung durchsetzenden Flusses, da sie aus dem ausschliesslichen Einflussbereich der Jochwicklung DF heraus und mehr und mehr in den der Wicklung EF gerät. Da die Richtung ihres Flusses dem der Wicklung DF entgegengesetzt ist, so sinkt die in der Wicklung ACB induzierte EMK bis zum Werte Null, welchen sie erreicht hat, wenn sich die Joche in der Mittelstellung befinden. Dabei sinkt auch die der Stromteilerwicklung entnommene und vom Schubtransformator in den Haupttransformator zurückgegebene Leistung, die Motorspannung aber ist dabei gestiegen und hat nun die
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Höhe der Stufenspannung 4 erreicht.
Bei weiterer Bewegung der Joche in der Pfeilrichtung überwiegt der Einfluss der Wicklung EF mehr und mehr. Die von ihr in der Stromteilerwicklung induzierte EMK ist umgekehrt gerichtet, sie überlagert sich der Stufenspannung 4 in positivem Sinne und erhöht so die
Motorspannung, bis in der Endlage der Joche der Wert 225 Volt erreicht wird. Jetzt entnimmt der Sehubtransformator Leistung über die Klemme X aus dem Haupttransformator und leitet sie über den
Stromteiler in den Motorstromkreis. In der Endlage der Joche ist diese Leistung absolut genommen gerade so gross wie die in der Anfangsstellung in den Haupttransformator zurückgeleitete. Die EMK in der Stromteilerwicklung hat'auch in dieser Endlage denselben absoluten Wert von 50 Volt wie in der Anfangslage.
Der Zustand, wenn die Spannung an der Klemme A 250 Volt erreicht hat, Schalter 5 aber noch nicht geschlossen ist, ist in Fig. 2 wiedergegeben. Man kann aus ihr auch die Lage der Schub- transformatorjoche nach Vollzug der Regelungsbewegung erkennen. Da nun Spannungsgleichheit zwischen den beiden Kontakten des Schalters 5 herrscht, so kann er ohne Übergang von Leistung geschlossen werden.
Praktisch wird es nicht vollkommen zu erreichen sein, dass bei beliebiger Fahrmotorleistung die
Schliessung und Öffnung der Stufenschalter stets ohne jeden Spannungsunterschied vor sich gehen kann, da die unvermeidbaren Streuflüsse im Schubtransformator dies ausschliessen. Jedoch wird sich das angestrebte Ziel mit ihm weit besser erreichen lassen als etwa mit dem Kollektorregler, der neben den Streuflüssen auch noch Übergangswiderstände an seinen Biirstenapparaten aufweist, deren Grösse von der augenblicklichen Belastung wie auch vom rnterhaltungszustand dieser sehr empfindlichen Kontaktstellen abhängig ist.
In Fig. 3 ist eine weitere Schaltungsanordnung zur Regelung der Fahrmotorspannung von Wechselstromtriebfahrzeugen angegeben, bei welcher Stromteiler und Schubtransformator zwei getrennte Apparate sind. Der Stromteiler ist wie eine normale Drosselspule gebaut, besitzt aber noch eine zweite Wicklung, durch welche die EMK des Schubtransformators übertragen werden kann. Schubtransformator und Stromteiler sind elektrisch in Reihe geschaltet. Diese Anordnung bietet den Vorteil, dass die oft grossen Kupferquerschnitte in der Stromteilerwieklung ACE nicht auf den Kern des Schubtransformators selbst aufgewickelt werden müssen und dieser darum mit etwas kleineren Abmessungen gebaut werden kann.
Anderseits haftet aber der Schaltung der Nachteil an, dass die Übertragung der Reglerleistung durch zwei in Reihe geschaltete Transformatoren erfolgen muss, wodurch infolge der vermehrten StreuflÜsse insgesamt eine sehr viel höhere Kurzsehlussspannung zustande kommt. Auch der Baustoffverbrauch ist bei dieser Schaltung höher als bei der ersten.
Durch die Relativbewegung zwischen den Jochen und dem Kern des Schubtransformators können noch jeweils nach Erreichung einer Endlage oder auch kurz davor bzw. danach die Stufenschalter am
Stufentransformator unmittelbar oder mittelbar derartig betätigt werden, dass sich die Fahrmotor- spannung über alle Transformatorstufen von Null bis zu einem beliebigen Wert von selbst völlig stufenlos regelt. Dies ist beispielsweise dadurch möglich, dass der Antrieb des beweglichen Teiles im Schubtransformator grösstenteils der Joche durch eine Kurbel erfolgt und der Kurbelzapfen in der oberen und unteren Endstellung durch Eingliffe in sogenannte Malteserkreuz eine oder zwei Wellen ruckweise weiterschaltet, welche ihrerseits beispielsweise über Nocken die Schalter an dem Stufentransformator betätigen.
Die Verwendung des Schubtransformators zur Regelung der Fahrmotorspannung von Wechselstromtriebfahrzeugen in der beschriebenen Schaltungsanordnung bringt somit gegenüber den bekannten Steuerungseinrichtungen insofern einen technischen Fortschritt, als durch ihn Stromteiler und Spannungsregler zu einem Apparat höchster Einfachheit vereinigt werden können. Es werden keine Bürsten und keine unsichere beweglichen Kontakte mit ihren wecl. selnden Übergangswiderständen benötigt und doch wird diese Steuerung den höchsten Ansprüchen, die in bezug auf die Regelung der Fahrmotorspannung gestellt werden können, gerecht.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Schaltung zur Regelung der Fahrmotorspannung von Weehselstromtriebfahrzeugeii, bei welchen die Spannung zwischen zwei beliebigen Anzapfungen eines Stufentransformators über einen Stromteiler dem Fahrmotor zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schubtransformator (sehr), dessen Primärwicklung (EFD) stets unverändert an einer beliebigen Spannung des Haupttransformators liegt, zur stetigen Regelung der Spannung am Stromteiler (BC. A) dient.