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Verfahren und Schaltung zum Betrieb von aus einem Einphasennetz gespeisten elektrischen
Lokomotiven.
Es sind bereits vom Einphasennetz gespeiste, mit Drehstrommotoren ausgerüstete Fahrzeuge und Lokomotiven bekannt, bei welchen die Speisung der Motoren über rotierende Umformer erfolgt. Diese Umformung ist durch Entwicklung der gesteuerten Starkstromventile auch mit Hilfe ruhender Geräte möglich geworden. Die diesen Zweck erfüllenden, bisher bekannten Stromrichter arbeiten ausnahmslos mit besonderen Einrichtungen, welche, indem sie mit einer von ihnen erzeugten Gegenspannung auf die Anoden wirken, die Steuerung der Ventile ermöglichen. So z. B. die mit parallel arbeitenden Synchronmaschinen, die mit Motoren mit erregten Läufern oder die mit Schwingungkreisen (Kondensatoren) versehenen, durch Kurzschlussläufermotoren angetriebenen Lokomotiven.
Der Gegenstand der Erfindung betrifft die Speisung der Mehrphaseninduktionsmotoren einer mit Einphasenstrom gespeisten Lokomotive über gesteuerte Ventile. Erfindungsgemäss wird in den Motoren ein Drehfeld selbstführend, d. h. ohne Anwendung besonderer, Gegenspannung erzeugender Einrichtungen, dadurch hervorgerufen, dass die Ventile so gesteuert werden, dass gleichzeitig mit der Phasenvermehrung eine dementsprechende Herabsetzung der Periodenzahl des den Motoren zugeführten Stromes bewirkt wird. Wenn man die so gegebene Grenze nicht überschreitet, ist es mit zweckensprechenden Schaltungen möglich, zu erreichen, dass die Anoden von selbst auslöschen, ohne dass dazu besondere Einrichtungen erforderlich wären. An Anschaffungskosten und an Gewicht sind damit grosse Ersparnisse zu erreichen.
In den Zeichnungen sind einige vorteilhafte Schaltungen zur Ausführung des Erfindunggedankens beispielsweise angegeben.
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Da die Voraussetzung für das Parallelarbeiten der Anoden der Gleichrichter, nämlich die gleiche Spannung gegenüber der Kathode, gegeben ist, könnte der Strom auf einmal durch alle sechs Spulenhälften des Motors fliessen. Um nun im Motor ein Drehfeld zu erzeugen, d. h. um die durch die einzelnen Spulenhälften fliessenden Ströme räumlich und zeitlich in der Phase gegeneinander zu verschieben, werden die Steuergitter gl-g6 und g'l-g'6 benutzt.
Die hiezu erforderliche Arbeitsweise der Gitter ergibt sich aus Fig. 2. Die sechs vertikalen Spalten in der Tabelle stellen sechs aufeinanderfolgende Zeitabschnitte dar, wobei die Dauer eines Abschnittes der Zeit einer Halbwelle des Netzstromes entspricht. Innerhalb dieser Zeit bleibt die Richtung des Stromes in allen Teilen der Schaltung gleich.
In der ersten horizontalen Zeile der Tabelle ist durch die strichpunktierten Vektoren diejenige Richtung des Feldes in jedem Zeitabschnitt angegeben, welche erforderlich ist, damit ein Drehfeld
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entsteht. Die voll ausgezogenen Vektoren zeigen, wie die Komponenten in Richtung der Spulenaehsen 1, 11, 111 wirken müssen, um das gewünschte Ergebnis zu zeitigen.
Aus den Vektordiagrammen der ersten Zeile ergeben sich die Figuren der zweiten Zeile. Hier sind die drei Spulenachsen 1, 11, 111 durch horizontale Linien gekennzeichnet ; die mittlere vertikale Linie stellt die Spulenmitte, also die Stelle der Stromzuführung dar. Von hier aus kann der Strom in den einzelnen Spulen nach rechts oder nach links fliessen, je nachdem, welche der an die Spulenenden angeschlossenen Anoden gezündet werden. Die hier verwendeten Bezeichnungen 1-6 für die Spulenenden sind die gleichen wie in Fig. 1, d. h., die äusseren Spulenteile sind von der Mittellinie nach links und die inneren Spulenteile von der Mittellinie nach rechts gezeichnet.
Angenommen, dass die Spulen derart gewickelt sind, dass die Richtung des Stromdurehganges der Richtung des erzeugten Feldes entspricht, können die in Zeile 1 eingezeichneten Feldrichtungen ohne weiteres mit den in Zeile 2 veranschaulichten Stromrichtungen verglichen werden. Beispielsweise ist in der ersten Spalte das Feld in der Spulenachse I nach aussen gerichtet, infolgedessen muss also in Zeile 2 der Strom ebenfalls nach aussen, d. h. von der Spulenmitte nach links zum Spulenende 1 fliessen.
Infolgedessen müssen in diesem Zeitabschnitte die Anoden a1, a'1 gezündet werden, die Anoden a4, a'4 dagegen nicht. In derselben Weise ergibt sich, dass von den übrigen Anoden in demselben Zeitabschnitt die Anoden a5, a' ;, und a, ;, a'c gezündet werden müssen, während im folgenden Zeitabschnitt die Anoden ai, a\, a, a's, , o/e gezündet werden müssen usw.
Nachdem die zur Erzeugung eines Drehfeldes erforderliche Reihenfolge der Zündung der Anoden auf diese Weise festgestellt wurde, kann die Steuerungsvorrichtung zur Steuerung der Gitter leicht
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ein Feld zugeordnet ist, wobei die schraffierten Felder jeder Spalte die gleichzeitig an die positive Klemme der Zündstromquelle zu legenden Gitterpaare andeuten. Die übrigen Gitter werden an negative Spannungen gelegt und die zu ihnen gehörigen Anoden sind infolgedessen gesperrt.
Fig. 3 zeigt die Steuervorrichtung St (Fig. 1) für die Gitter in schematischer Darstellung. Die Kontaktwalze W wird von einem nicht gezeichneten, an das Netz angeschlossenen sechspoligen kleinen Synchronmotor angetrieben und ihre Drehzahl beträgt infolgedessen ein Drittel der der Netzfrequenz entsprechenden synchronen Drehzahl. Die Oberfläche der Walze ist zur einen Hälfte leitend, zur andern Hälfte mit Isoliermaterial bedeckt. Der leitende Belag ist über einen Schleifring s an den Pluspol der
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Reihenfolge, wie sie in der Zeile 3 der Tabelle gemäss Fig. 2 angegeben ist, über Widerstände w mit den Gittern gr-g6 des Gleichrichters und über Widerstände r mit dem Minuspol der Batterie verbunden sind. Der Mittelpunkt der Batterie liegt an der Kathode k des Gleichrichters.
Da die Kathoden der beiden Gleichrichter stets verschiedene Spannungen haben, muss für jeden Gleichrichter eine gesonderte Steuerungsvorrichtung vorgesehen werden, jedoch müssen deren Walzen zwecks genauen Gleichlaufes auf derselben Welle sitzen, u. zw. derart, dass die Stellung der leitenden Beläge mit Bezug auf die Bürsten bei beiden genau gleich ist.
Die Zündung muss dann stattfinden, wenn die Spannung den Wert Null hat, d. h. die Steuerungsvorrichtung muss die Gitter am Ende jeder Halbwelle des Netzstromes schalten. Dadurch wird der resultierende Vektor des Feldes nach jeder Halbwelle um 600 weitergedreht. Das Drehen des Feldes erfolgt stossweise und infolgedessen entsteht neben dem Grundfeld eine Reihe von Oberfeldern. Das Grundfeld dreht sich mit einer konstanten Geschwindigkeit, welche einem Drittel der Synchrondrehzahl des Netzes entspricht ; bei 50 Perioden Netzfrequenz ist der Motor also ein mit 16% Perioden arbeitender Drehstrommotor.
Die dem Motor zugeführte wellige Spannung erzeugt im Motor einen welligen Strom, wie er in dem in Fig. 4 dargestellten Oszillogramm gezeigt ist, in welchem die Kurve a den 162/,-Perioden- Strom, b die 50-Perioden-Spannung und c die 16#-Perioden-Spannung darstellt. Dadurch wird der Leistungsfaktor des dem Netz entnommenen Stromes im Hinblick auf die kleine Welligkeit günstig. Wie das Oszillogramm zeigt, ist die Leistungsaufnahme des Motors infolge der Welligkeit mit der Leistungsabgabe des Netzes in Gleichgewicht, so dass also ein besonderer Energiespeicher nicht erforderlich ist.
Um im Motor die Entstehung einer grösseren Gleichstromkomponente zu verhindern und dadurch die Motorströme im Gleichgewicht zu halten, ist es zweckmässig, die Stromzuführung zu den Spulen in der in Fig. 5 veranschaulichten Weise über eine Saugdrossel D vorzunehmen, welche an den Anzapfstellen der Spulen zwischen die beiden Spulenhälften eingeschaltet ist.
Fig. 6 zeigt eine andere Ausführung der Schaltung, bei welcher statt zweier sechspoliger Gleichrichter ein sechspoliger und ein zweipoliger Gleichrichter verwendet sind. Die Anzapfungen der Spulen SP1-Spa sind hier mit der Kathode kl des zweipoligen Gleichrichters Gl1 verbunden, dessen Anoden a1 und a2 an den Enden der Sekundärwicklung des Netztransformators T liegen. Der Nullpunkt des Netztransformators ist mit der Kathode k2 des sechspoligen Gleichrichters Gl2 verbunden, dessen Anoden a'r-a', an die Enden 1-6 der Spulen des Motors angeschlossen sind.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführung der Schaltung mit einem einzigen sechspoligen Gleich-
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versehen sind. Die Steuerung der beiden Gittersätze erfolgt durch zwei getrennte Steuerul1gsvorrich- tungen gemäss Fig. 3. Die Anzapfungen der Spulen Spitz sind hier unmittelbar mit dem Nullpunkt des Netztransformators T verbunden, dessen beide Enden an die Kathode des Gleichrichters angeschlossen sind. Die Anoden al-a6 des Gleichrichters sind auch hier mit den Enden 1-6 der Spulen des Motors verbunden.
Gemäss Fig. 8 ist ein zwolfpohger Gleichrichter Gl verwendet und der Motor ist mit Doppelspulen Sp,-Sp., Sp'r-Sp', versehen. Die Anzapfungen jedes Spulensatzes sind mit den Enden der Sekundärwicklung des Netztransformators T verbunden, dessen Nullpunkt an der Kathode k des Gleichrichters liegt. Die Anoden 11-16, 21-26 des Gleichrichters sind mit den gleichbezeichneten Enden der Spulen der beiden Spulensätze verbunden.
Bei der Ausführung nach Fig. 9 ist der Netztransformator weggelassen ; die beiden Pole des
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der beiden Spulensätze verbunden.. Die Anoden 11-16 bzw. 21-26 liegen wieder an den gleichbezeichneten Enden der beiden Spulensätze.
In den Fällen, in welchen zwei Gleichrichter verwendet sind, ergibt sich auch die Möglichkeit, ständig oder zeitweise nur mit einem der Gleichrichter zu fahren, wobei nur die eine Halbwelle des Netzstromes benutzt wird. Dies hat den Vorteil, dass der Betrieb auch bei Störung des einen Gleichrichters fortgeführt werden kann.
Natürlich lassen sich an Stelle der bisher gezeigten Gleichrichter auch andere Arten von Ventilen verwenden, so insbesondere der Lichtbogel1stromrichter, zumal die hiefür erforderliche Druckluft auf der Lokomotive ohnehin zur Verfügung steht. Fig. 10 zeigt die Schaltung unter Verwendung von sechs derartigen Ventilen Ti-T/g. Hier sind die Anzapfstellen der Spulen SP1-SP3 unmittelbar mit dem einen Pol des Netzes verbunden, während die Enden 1-6 der Spulen über die Liehtbogenstromrichter Ll-L6 mit dem Netz verbunden sind.
Fig. 11 zeigt eine der Fig. 2 entsprechende Tabelle zur Vermittlung der Steuerung der Ventile.
In der ersten Zeile sind die zur Erzielung des Drehfeldes erforderlichen Stromrichtungen in den drei Spulen I, 11, 111 des Motors dargestellt, die zweite Zeile gibt die jeweilige Stromrichtung im Netz an.
In der dritten Zeile sind die in jedem Zeitabschnitt mit Strom zu versehenden Spulenhälften durch Schraffierung angedeutet und in der vierten Zeile sind die jeweils zu zündenden Lichtbogel1stromrichter kenntlich gemacht. Fig. 12 zeigt die Ausbildung der zur Steuerung der Lichtbogenstromrichter dienenden rotierenden Funkenstrecke.
In Fig. 13 ist eine andere Ausführung der Schaltung mit nur drei Lichtbogenstromrichtern Li--L, angegeben, bei welcher die Anzapfungen der Spulen SP1-Sp3 des Motors wieder unmittelbar mit dem einen Pol des Netzes verbunden sind, während das Ende jeder Spule gemeinsam mit dem Anfang der nächsten Spule über je einen Lichtbogenstromrichter mit dem andern Pol des Netzes verbunden ist.
Fig. 14 zeigt eine der Fig. 11 entsprechend ausgearbeitete Tabelle zur Bestimmung der Steuerung der Stromrichter und Fig. 15 veranschaulicht die erforderliche Ausführung der zur Steuerung dienenden rotierenden Funkenstrecke.
Die Schaltung gemäss der Erfindung ist nicht nur bei synchroner Drehzahl der Steuervorrichtung, sondern auch bei jeder kleineren Drehzahl betriebsfähig ; der Induktionsmotor wird als synchrone Drehzahl immer die Drehzahl der Steuervorrichtung haben. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, den Induktionsmotor synchron anlaufen zu lassen ; zu diesem Zweck braucht nur die Steuerungvorrichtung neben dem zum normalen Antrieb dienenden Synehronmotor mit einem kleinen selbstanlaufenden Einphasenkollektormotor versehen zu werden. Mit Anlauf des kleinen Motors läuft auch der grosse an ; allerdings ist der asynchrone Betrieb mit erhöhten Verlusten verknüpft, und es ist deshalb zweckmässig, sofort beim Erreichen der synchronen Drehzahl den mit der Steuervorrichtung verbundenen Synchronmotor an das Netz zu schalten.
Die Verwendung eines selbst anlaufenden Motors zum Antrieb der Steuervorrichtung hat noch den weiteren Vorteil, dass in diesem der Induktionsmotor mit einem Kurzschlussläufer versehen werden kann, wodurch neben der grossen Vereinfachung des Motors selbst auch der Anlasswiderstand wegfallen kann ; überdies ermöglicht dies auch die Erhöhung der Betriebsspannung und damit eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades. Der Induktionsmotor ermöglicht natürlich auch eine Nutzbremsung des Fahrzeuges. An Stelle des in den Ausführungsbeispielen gezeigten Dreiphasenmotors kann selbstverständlich auch ein Motor mit einer beliebigen andern Phasenzahl Verwendung finden.
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