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Schaltugsanordnung für elektrische Zugförderung mit Compoundmotoren.
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Zugfürderungssystem mit Compoundmotoren und bezweckt die Herabsetzung der Verluste in den Widerständen beim Anfahren, ökonomischen
Betrieb bei geringer, gleichbleibender Geschwindigkeit, die elektrische Bremsung, die Energie- rückgewinnung in Gefällen, bei Verzögerungen und beim Anhalten, die Steigerung der Durch- schnittsgeschwindigkeit, endlich die Vereinfachung und die Gewichtsverminderung der Steuer- ausrüstung der Motoren.
Die Verwendung von elektrischen Motoren mit Compounderregung für die elektrische
Zugförderung mit Gleichstrom, besonders bei Energierückgewinnung in Gefällen oder beim Verzögern und beim Anhalten, war bis jetzt auf wenige Sonderfälle mit schweren und um- ständlichen Ausrüstungen wegen der mit diesen Motoren verbundenen Unzukömmlichkeiten beschränkt, von denen die wichtigsten folgende sind : Die gebräuchliche Geschwindigkeitsregelung durch Serienparallelschaltung der Motoren erfordert beim Compoundmotor die Unterbrechung des Arbeitsstromes beim Übergang von der Serien-zur Parallelschaltung, um nicht die generatorische Erregung des vorübergehend kurzgeschlossenen Compoundmotors hervorzurufen.
Es ergibt sich daraus eine für das Material und die Bequemlichkeit der Reisenden nachteilige Stosswirkung und eine Komplikation der Ausrüstung, um den Wirkungen der Stromunterbrechung und der Selbstinduktionsströme zu begegnen.
Während der Parallelschaltung ist die gleichmässige Aufteilung der Belastung auf die einzelnen Motoren praktisch unmöglich, besonders wenn das Erregerfeld herabgesetzt ist. Bei schwach gesättigtem magnetischem Kreis gestattet die Verwendung von Wendepolen, die ein stabiles Arbeiten der Motoren für eine Drehrichtung erlaubt, nicht dieselbe Stabilität des Laufes für die entgegengesetzte Drehrichtung, und es folgen daraus Schwierigkeiten bei der Kom- mutierung und Kollektorüberschläge. Die Herstellung von Nebenschlusswicklungen für die ganze Fahrdrahtspannung erfordert besondere Sorgfalt. Gewisse bekannte. bisher ausgeführte Einrichtungen beheben obige Nachteile nur teilweise und auf Kosten einer grossen Umständlichkeit. hohen Gewichtes und grossen Raumbedarfes.
Einzelne Einrichtungen mit dauernd in Serie geschalteten Motoren konnten keine praktische Anwendung finden. wegen des unzureichenden Geschwindigkeitsbereiches, den diese Motoren zuliessen, und ihre Erfinder kamen später zum Gebrauch der Serienparallelanordnung mit allen ihren Nachteilen zurück.
Andere Einrichtungen sehen die Verwendung von Nebenschluss-und Serienwicklungen vor. aber zu einem sehr verschiedenen Zweck, die Nebenschlusswicklung wird nur für den normalen Lauf und die Rückgewinnung verwendet, die Serienwicklung wird unabhängig davon und vorübergehend angewendet für das erste Anfahren, für die Widerstandsbremsung oder die Notbremsung oder um den Übergang der Motoren von der Serien-zur Parallelschaltung zu sichern.
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Übrigens führen die Ausrüstungen der Serienmotoren besonders dann. wenn zur Herabsetzung des Energieverbrauches von der Regelung durch Parallelschaltung der Erregerwicklungen Gebrauch gemacht wird.
zu komplizierten Schaltwalzen, zu umfangreichen Zuleitungskabein. die Energieverluste verursachen, und zu einer Erhöhung des Masehinengewiehtes.
Nach der Erfindung. die allen diesen Nachteilen abhilft, liegen bei Verwendung von Compoundmotoren die Ankerwicklungen, die Serien-, Wendepol- oder Kompensationswicklungen dauernd in Serie an der Fahrdrahtspannung, wobei Widerstände nur für den Beginn des Anfahrens eingeschaltet werden. Auch die. Nebenschlusserregerwicklungen liegen in Serie unter
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Die Reihenschaltung der Motoren gewährleistet das ununterbrochene Fortbestehen der Zugkraft während der ganzen Dauer des Anfahrens und des normalen Laufes. das ununter- brochene Fortbestehen der Bremswirkung während der Energierückgewinnung. die selbsttätige. gleichmässige Aufteilung der Belastung auf die einzelnen Motoren, gunstigere Konstruktions- bedingungen für die Motoren infolge der geringeren Spannung an den einzelnen Wicklungen jedes Motors und den Kollektoren, die funkenfreie Kommutierung ohne Überschläge, die Vermeidung der Komplikationen für die Schaltwalzen und für die Zuleitungskabel der gebräuchlichen Serienparallelschaltung.
Ein sehr hohes und konstantes Anzugsmoment beim Beginn des Anfahrens. eine Herab-
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stufen, die Möglichkeit, eine sehr niedrige und konstante Geschwindigkeit des Fahrzeuges zu erreichen, ohne die Notwendigkeit, zwischen Motor und Fahrdraht Widerstände einschalten zu müssen, und damit ein hoher Gesamtwirkungsgrad, ein grosser Geschwindigkeitsbereich der gewöhnlichen Motoren unter Vermeidung der Serienparallelschaltung, ein hohes Ausmass von Rückgewinnung bis zu den niedersten Geschwindigkeiten, endlich eine Herabsetzung der Zahl und des Gewichtes der Kabel und der Widerstände im Vergleich zu ändern Ausrüstungen
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Anwendung einer sehr grossen Amperewindungszahl in Serie und in Nebenschluss.
Das Verhältnis der Amperewindungen in Serie zu den Amperewindungen in Nebenschluss hat entsprechend den besonderen Betriebsverhältnissen auf jeder Strecke (Längenprofil, Abstand der Haltestellen) den Gegenstand einer besonderen Ermittlung zu bilden, von welcher der Prozentsatz der Rückgewinnung und die Stabilität des Laufes abhängt.
Um ferner durch Nebenschlusserregung den ganzen Geschwindigkeitsbereich der gebräuchlichen Motoren zu bestreichen, besitzen die Motoren im vollen Ausmass alle Vorkehrungen. die unter Herabsetzung der Feldverlängerung durch das Querfeld auf ein Minimum ihren be- friedigenden Betrieb im ungesättigten Zustand gestatten, d. h. ohne Feuern an den Bürsten. ohne Steigerung der maximalen Lamellenspannung und ohne Gefahr von überschlagen.
Diese Vorkehrungen bestehen im besonderen in der Wahl eines hohen Wertes des Verhältnisses Ankeramperewindungen zu Feldamperewindungen, eines grossen Luftspaltes, einer geeigneten Form der Polschuhe, in der Anwendung von Wende- oder Kompensationspolen und einer hohen Zahl von Kollektorlamellen.
Für die elektrische Zugförderung mit Compoundmotoren an konstanter Spannung müssen die Motoren ein sehr sanftes Anfahren. einen grossen Geschwindigkeitsbereich und die Energierückgewinnung bei der Bremsung beim Verlangsamen und Anhalten oder bei konstanter Geschwindigkeit im Gefälle gewährleisten.
Die drei Forderungen : sanftes Anfahren. grosser Geschwindigkeitsbereich, hoher Prozentsatz der Rückgewinnung, können gleichzeitig nicht ohne besondere Vorkehrungen erfüllt werden.
Die Nachgiebigkeit beim Anfahren erfordert einen hohen Wert der Serienerregung im Vergleich mit der Nebenschlusserregung. was nur durch eine hohe Windungszahl auf der SerienerTegungswicklung erreicht werden kann.
Das Umfassen eines sehr grossen Geschwindigkeitsbereiches verlangt dagegen einen niedrigen'Vert der Serienerregung am Ende der Anfahrperiode, weil die Enderregung der
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Wachsen der vom Anker und von der Serienwicklung aufgenommenen Energie führt. so dass. wenn die Windungszahl der Serienerregung nicht sehr gering ist, man in Gestalt von Serienamperewindungen den grösseren Teil der Nebenschlussamperewindungen wiederersetzt, den man
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während des Betriebes bei einer schwachen Nebenschlusserregung.
Ebenso muss man bei der Energierückgewinnung, da die Serienerregung gegenüber der Nebenschlusserregung eine Gegenwirkung ausübt, um den höchstmöglichen Prozentsatz der Rückgewinnung zu erreichen, die geringstmögliche Serienwindungszahl mit Rücksicht auf da- ! stabile Arbeiten als Generator anwenden.
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Das Verfahren nach der Erfindung besteht in der Parallelschaltung von Widerständen zur Serienerregung in einer oder mehreren Stufen während der Beschleunigung des Motors von einer gewissen Geschwindigkeit des Motors angefangen und in der darauffolgenden Aufrechterhaltung dieser Parallelschaltung in ihrem höchsten Ausmass während der Verzögerung oder Geschwindigkeitsänderung des Motors bis zum Stillstand oder in die Nähe des Stillstandes. wodurch man die maximale Serienerregung für den Anfang des Anfahrens erhält. was besondere Weichheit gewährleistet, mit einem sehr bedeutenden Geschwindigkeitsbereich dank der Herabsetzung der Serienerregung. während man anderseits. dank der Aufrechthaltung der schwächsten Serienerregung beim Verzögern einen hohen Prozentsatz der rückgewonnenen Energie sichert.
Zu diesem Zweck ist die Serienerregung mit ihrem Höchstwert beim Anfahren vom Stillstand aus vorgesehen, wogegen angefangen von einer bestimmten Stellung des Steuerorgans der Schaltwalze und in allen Stellungen höherer Geschwindigkeit eine Widerstandsparallelschaltung in einer oder mehreren Stufen verwendet wird. Für jede Bewegung des Steuerorgan.' in entgegengesetzter Richtung bleibt jedoch die maximale Shuntung der Serienerregung autrecht bis zu der Stellung der Schaltwalze, die der ersten Schaltstufe des normalen Ganges entspricht. Zwischen dieser Stellung und der Stellung, die vollkommenem Stillstand entspricht. ist die Widerstandsparallelschaltung beseitigt.
In der Zeichnung zeigt Fig. 1 schematisch eine Schaltung nach der Erfindung. Die gemäss Fig. 1 dauernd in Serie geschalteten Motoren 1, 2... n werden vom Fahrdraht 3 durch den Stromabnehmer 4, 5 gespeist. der den Strom zu einem geeigneten Anlasswidersiand führt. Die Ankerwicklungen 71, 72... 7"wie die Serienerregerwicklungen 81, 82... 8" und die Wendepol- oder Kompensationswicklungen 91, 92 ... 9n sind in Serie geschaltet, die Neben-
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Fig. 2 zeigt dasselbe Schema wie Fig. 1 bei Beginn des Anfahrens. Der Vereinfachung wegen wird in Fig. 2 vorausgesetzt, dass nur zwei Motoren vorhanden sind. Zu Beginn des Anfahrens ist der NebenschluBwiderstand 24 der Serienerregungen 81. 82 ausgeschaltet. der zugehörige Schalter 21 ist offen. Am Ende des Bremsvorganges ist der Schalter 21 geschlossen, und der Widerstand 24 liegt parallel zu den Serienerregungen 81, R2 der Motoren.
In der Bremsstellung mit Energierückgewinnung ist der Schalter, M geschlossen und lässt den Nebenschlusswiderstand 24 während des grösseren Teiles der Bremsung eingeschaltet. Es gilt ebenfalls Fig. 2.
In der Ausführungsform der Fig. 3 ist der Compoundmotor mit einem Anker 12. einer
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schlusswiderstandes 241, 242 der Serienerregung entsprechen, verschieben.
Der Kontakt 21 steht infolge des Mitnehmers 181 mit dem Kontakt 22 nur in der Stellung 253 der Schaltwalzenkurbel 17 in Berührung. In den Stellungen 251 und 252 ist die Serienerregung ein Maximum. In der Stellung 253 sind der Serienerregung die Widerstände 241 und 242 parallel geschaltet. In der Stellung 254 ist der Serienerregung nur der Widerstand 24., parallel geschaltet.
Man sieht auch, dass die Parallelschaltung der Widerstände zur Serienerregung bei entgegengesetzter Drehung der Kurbel in allen Stellungen 254-251 aufrecht bleibt. Zwischen der Stellung 251 und der Stellung 250 ist infolge des Mitnehmers 182 die Widerstandsparallel- schaltung beseitigt.
Ein leitendes Kreissegment 28 (Fig. und 5) auf einer mit leichter Reibung auf dem Bund 30'der Schaltwalzenwelle 30 drehbaren Tragmuffe 29 (vom Bund bu'abgenommen dargestellt) steht durch ein biegsames Kabel 31 dauernd in elektrischer Verbindung mit dem Segment R3, das einem Ende der Serienerregerwicklung entspricht. Das Segment 28 trägt an einem Ende einen Sektor 32 aus Isoliermaterial und ist überdies von dem unmittelbar darunter liegenden Kreissegment (nicht dargestellt) der Schaltwalze isoliert.
Infolge der Reibung des nicht dargestellten Kontaktfingers auf dem isolierten Sektor. j' ? bleibt das Segment 28 in Ruhe, wenn die Schaltwalze im Sinne wachsender Geschwindigkeit bis in eine bestimmte Stellung gedreht wird. Von dieser Stellung aus nimmt der mit der Schaltwalzenwelle fest verbundene Mitnehmer 36 nach Anlegen an den Anschlag 3'/i des Segmentes (bzw. 3'72 bei Rückdrehung) letzteres mit, wodurch die Verbindung des freien Endes des Nebenschlusswiderstandes 24 (Fig. 2) mit dem Ende der Serienwicklung bewirkt wird.
Letzterer ist also in allen Stellungen der Schaltwalze, entsprechend steigenden Geschwindigkeiten, parallel geschaltet. Wenn man dagegen die Schaltwelle im entgegengesetzten Sinn dreht, bleibt das Segment 28 infolge der Reibung des nicht dargestellten Kontaktfingers in Ruhe. Wenn der Mitnehmer 36 mit dem Anschlag 372 des Segments 28 in Berührung
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gekommen ist, wird letzteres mitgenommen. Man sieht, dass die Serienerregung bis zu dieser Stellung der Sehaltvalze, welche die letzte Stellung der normalen Energierückgewinnung ist. mit dem Nebensehlusswiderstand 24 (Fig. 2) in Parallelschaltung bleibt. Zwischen dieser Stellung und der nächsten Stellung verlässt der Kontaktfinger das Segment 28 und geht auf den isolierten Sektor 32 und verlässt dann auch diesen.
Die Serienerregung ist von diesem Augenblick nicht mehr geshuntet und die Schaltwalze ist nach Rückgang in die Anfangsstellung zum neuerlichen Anfahren bereit. Man kann selbstverständlich zur Steuerung des Kontaktes 2/ (Fig. 2) oder 28
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verwenden.
Die Erfindung findet ihre Anwendung auf Compoundmotoren in jeder Verwendungsart und kann auf die Steuerung einer beliebigen Anzahl von in Serie parallel oder serienparallel geschalteten Motoren durch dieselbe Schaltwalze übertragen werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Schaltungsanordnung für elektrische Zugsförderung mit Compoundmotoren mit weitgehender Geschwindigkeitsregelung mittels der Nebenschlusserregung, dadurch gekennzeichnet. dass einerseits die Anker-, Serienerreger-, Kompensations-oder Wendepolwicklungen der Motoren, anderseits deren Nebenschlusserregerwicklungen dauernd in Serie geschaltet an der Fahrdrahtspaunung liegen.