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Österreichische PATENTSCHRIFT No 16344.
OESTERREICHISCI-IE SCHUCKERT-WERKE m WIEN.
Spannungsungleiches Dreileitersystem zur Vermeidung von Erdströmen bei elektrischen
Bahnen.
Bei elektrischen Bahnen, welche die Fahrschiene als Stromleitung benutzen, ist es häufig erforderlich, das Potential der Fahrschiene über ihren gesamten Verlauf auf möglichst gleicher Höhe zu halten, um im benachbarten Erdreich das Entstehen von Erdströmen, die elektrolytische Zersetzungen der in der Nähe befindlichen metallischen Gasund Wasserleitungen u. dgl. hervorrufen, zu verhindern.
Mit den nachstehend beschriebenen Anordnungen, welche eine Weiterbildung des Gegenstandes des Haupt-Patentes darstellen, soll diese Aufgabe gelöst werden, indem ähnliche Einrichtungen getroffen worden, wie bei einem Dreileitersystem mit Stromerzeugern von doppelter Verbrauchsspannung, und wobei die Spannungsteilung durch Motordynamos oder Akkumulatorenzollen bewirkt wird.
Während jedoch bei der für Licht-und Kraftanlagen bekannten Dreileiterschaltung in jeder der beiden Hälften des Systems Energieverbraucher (Lampen, Motoren u. dgl. ) eingeschaltet sind, welche möglichst gleichmässig auf beide Hälften verteilt werden, sind nach der vorliegenden Erfindung in der zweiten Hälfte dieses Dreileitersystems Energieverbraucher im vorgedachten Sinne nicht vorhanden.
Es besteht die zweite llälfte des Systems, die lediglich zu Hegelungszwec1íen dient, nur aus der Fahrschiene als Mittelleiter und der an diesen direkt angeschlossenen isolierten Rückleitung als Aussenleiter, und es soll durch diese zweite Hälfte in Verbindung mit Motordynamos oder Schaltzellcn erreicht werden, dass das Potential der Fahrschiene über ihren ganzen Verlauf möglichst das gleiche bleibt. Die in der zweiten Hälfte des Systems verbrauchte
Energie wird teils für die Leitungsverluste im Aussen- und Mittelleiter, teils für die Verluste in den Motordynamos oder endlich zur Ladung von Akkumulatorenzellen aufgewendet.
Da in der zweiten Hälfte des Systems zwischen dem Mittelleiter (Fahrschiene) und dem entfernten Ende des an diesen angeschlossenen Aussenleiters auch nur ein Spannung- unterschied auftreten kann, der dem Höchstwerte des Spannungsabfalles in der isolierten
Rückleitung entspricht und letzterer nur einen Bruchteil der Spannung der Betriebsdynamo beträgt, so ergibt sich ferner, dass die Spannungsunterschiede in den beiden Dreileiterhälften ungleich sind, so zwar, dass der Spannungsunterschied zwischen Fahrdraht und Fahrschiene der einen Dreileiterhälfte wesentlich höher ist, als der Spannungsunterschied zwischen der
Fahrschiene und dem entfernten Ende der Rückleitung der zweiten Dreileiterhälfte.
Dieser Unterschied zwischen den Spannungen der beiden Dreileiterhälften wird nach obigem im wesentlichen bestimmt durch den Spannungsabfall in der isolierten Rückleitung : letzterer wird nun mit zunehmender Belastung zwischen Fahrdraht und Fahrschiene grösser und somit die Differenz zwischen den Spannungen der beiden Droileiterhälften geringer ; gleichzeitig wird aber auch durch Erhöhung des Spannungsabfalles in der Rückleitung die
Belastung der durch die Fahrschienen und die Rückleitung gebildeten anderen Dreileiter- hälfte selbsttätig vergrössert.
Es wird also hier, im Gegensatz zu der bekannten Dreileiter- schaltung für Licht-und Kraftanlagen ; der Spannungsunterschied zwischen den beiden
Dreileiterhälften mit zunehmender Belastung einer Hälfte geringer und mit abnehmender
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In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der Erfindung unter Vorwendung von Motordynamos veranschaulicht. Es bezeichnet a die Betriebsdynamo, f den Fahrdraht (1. Aussenleiter), s die Fahrschiene (Mittelleiter), k eine die Fahrschiene mit der Betriebsdynamo a verbindende isolierte Leitung (2. Aussenleiter), d eine Nebenschlussdynamo, m einen mit dieser starr gekuppelten Serienmotor.
An diese Motordynamo ist bei c die Fahrschiene vermittels der Leitung x angeschlossen. Bei belasteter Strecke wird der von den Wagenmotoren an die Fahrschiene s als Mittelleiter abgegebene Strom diesem auf drei Wegen entnommen. Ein Teil fliesst durch die isolierte Leitung k, ein zweiter Teil durch den Motor m und ein dritter Teil durch die Dynamo d.
Als eigentlicher Energieverbraucher der zweiten Hälfte des Systems ist die Leitung k aufzufassen, während die Motordynamo d, m mit ähnlicher Wirkung in Tätigkeit tritt wie bei einem gewöhnlichen Dreileitersystem, indem diejenige Strommenge, welche dio Leitung k nicht durchfliesst, von der Motordynamo aufgenommen und hiebei zum Teil durch die Dynamo d sofort wieder auf die Gebrauchsspannung der anderen Dreileiterhälfte gebracht wird, zum anderen Teil durch den Motor ni zur Betriebsmaschine zurückfliesst, wobei die vom Motor geleistete Arbeit zum Betrieb der Dynamo d verwendet wird.
Es ist hieraus ersichtlich, dass die Betriebsspannung der Dynamo a durch die Fahrschiene als Mittelleiter in zwei Teile geteilt wird, deren einer diejenige Spannung darstellt, mit welcher die Wagenmotoren arbeiten, während der zweite Teil dem Spannungsabfall in der Leitung k entspricht. Das Potential der Fahrschiene s in Bezug auf die Dynamo a wird daher jeweils durch die Höhe des Spannungsabfalles in k bestimmt. Diesem Abfall entspricht auch jeweilig die Spannung des Motors m, während sich die jeweilige Spannung der Dynamo d nach der Spannung zwischen Fahrdraht fund Fahrschiene s richtet.
Es ergibt sich hieraus, dass das System selbsttätig auf gleiches Potential in der Fahrschiene zwischen dem Anschlusspunkt der Rückleitung k und dem Punkte c reguliert, abgesehen von dem Spannungsabfall in der Fahrschiene selbst, der durch ungleich verteilte Streckenbelastung oder dadurch hervorgerufen wird, dass die Belastung nach rechts über den Anschlusspunkt von k auf der Fahrschiene hinausrückt. Dieser Spannungsabfall kann jedoch jederzeit durch passende Wahl des Anschlusspunktes k innerhalb zulässiger Grenzen gehalten werden.
Bei unbelasteter Strecke wird die Nebel1schlussdynamo d als Motor leer laufen und es wird der Leerlaufstrom teils über c, s, k und teils über den Motor m zur Betriebsdynamo zurückfliessen. Der Motor 111 beteiligt sich in diesem Falle nur so weit an der für das Aggregat zu leistenden Leerlaufsarbcit, als der ihn durchfliessenden geringen Strom-
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Die Anordnung nach Fig. 1 der vorliegenden Erfindung zeigt gegenüber der in der deutschen Patentschrift Nr. 107673 beschriebenen Einrichtung nicht allein eine nützliche Verwendung der Arbeitsleistung des Motors In, sondern auch noch insbesondere den Vorteil. dass nur ein Teil des durch die Schienen unmittelbar zur Maschinenstation zurückfliessenden
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Dynamo d wieder auf die volle Spannung gebracht wird. Gerade diese Art der Anordnung der Maschine d, welche einen Tei ! des Rückstromes wieder unmittelbar aufnimmt, bildet einen wesentlichen Teil des Erfindungsgedankens.
Durch den Anschluss des Verbindungspunktes c zwischen Dynamo d und Motor m an die Fahrschienen bildet das ganze System ein Dreileitersystem mit einer Motordynamo zur veränderlichen Teilung der Spannung der
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noch hervorgehoben, dass bei der Anordnung nach Fig. 1 der vorliegenden Erfindung infolge der bei c auftretenden Stromverteilung sowohl der Motor m als auch die zur Belastung desselben dienende Maschine bei sonst gleichen Verhältnissen kleiner gewählt werden kann, als nach Patentschrift Nr. 107673. Die Wirkungsweise der vorliegenden Schattungsart ist also eine von der Anordnung obiger Patentschrift wesentlich verschiedene.
An der beschriebenen Anordnung wird nichts geändert, wenn an die Fahrschiene noch mehrere Leitungen angeschlossen und mit Motordynamos vorbunden sind, z. B. Leitung r, dynamos und Motor i (Fig. 1). Ebenso können auch die Motordynamos im Konsumgebiet aufgestellt und durch eine Leitung 1, welche infolge der teilweisen durch Dynamo 9 bewirkten Umformung des aus der Fahrschiene entnommenen Stromes ensprechend schwächer bemessen werden darf, mit der Betriebsdynamo verbunden sein.
Findet in den Leitungen ?' und l infolge ihrer Länge ein beträchtlicherer Spannungsabfall statt, so arbeiten die Motoren und h mit entsprechend geringerer Spannung, immerhin kann jedoch die Summe des Span- nungsabfalls in der Leitung r bezw. l und des Abfalls in dem zugehörigen Motor i bzw. 14 nur unbedeutend verschieden sein von dem Spannungsabfall in der Leitung k.
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In Fig. 2 ist eine Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung einer Akkumulatorenbatterie mit SchaItzeHea dargosteUt. Es bezeichnet in Fig 2 a die Botriebsdynamo, z eine in Serie zu dieser geschaltete Zellenreibe, e eine zu diesen beiden parallel geschaltete Akkumulatorenbatterie. Die Leitung n ist einerseits bei c an die Akkumulatorenbatterie angeschlossen und andererseits mit dem zunächst gelegenen Ende der Fahrschiene in Verbindung gebracht ; k ist eine entfernt im Netz an die Fahrschiene angeschlossene Rückleitung, die andererseits direkt mit dem einen Pol der Betriebsdynamo in Verbindung steht. Die eine Hälfte des spannungsungleichen Dreileitersystems wird durch die Leitung f und die Fahrschiene 8 gebildet, die zweite Hälfte durch die Fahrschiene 8 und die Ruckleitung k.
In der Wirkungsweise ist die Anordnung vollkommen gleich der durch die Motordynamos erreichten. Das Potential der beiden Schienenanschlusspunkte von n und k wird dadurch auf möglichst gleicher Höhe gehalten, dass der Punkt c, in welchem die Leitung n an die Akkumulatorenbatterie angeschlossen ist, bei wechselnder Belastung der Leitung k verschoben wird, so zwar, dass bei grösserem Spannungsabfall in der Leitung k sich eine grössere Anzahl von Zellen zwischen tl und k befindet als bei geringerem Spannungsabfall. Die Verschiebung des Anschlusspunktes c kann hiebei unter Verwendung eines Zellenschalters von Hand oder automatisch bewirkt werden.
Der vermittels der Leitung n der Fahrschiene s entnommene Strom durchfliesst die Schaltzellen der Batterie e und ladet diese Zellen, ehe er zur Betriebsdynamo zurückkehrt. Die mit letzterer in Serie geschalteten ZeHen s werden im Betrieb entladen, so dass in bestimmten Zeiträumen eine Auswechslung der Zellen z gegen die Schaltzellen der Batterie e stattzufinden hat. Wo anderweitige Verwendung für die geladenen Schaltzellen ist, kann die Zusatzzellenreihe z wegfallen und die geladenen Zellen können durch neu aufzuladende ersetzt werden.
Die Verwendung von Akkumulatorrn zur Schienenentlastung ist bereits mehrfach vorgeschlagen worden, so in letzterer Zeit insbesondere durch die bekannte Kappsche Anordnung (D. R. P. Nr. 8ti275), welche sich aber wesentlich von der vorliegenden Erfindung (Fig. 2) unterscheidet. Bei der Kappschen Anordnung wird durch Hintereinander- schaltung der Primärmaschine und einer Akkumulatorenbatterie ein Dreileitersystem gebildet, bei dem der Nulleiter vom Verbindungspunkt der Dynamo mit der Batterie ausgeht, während nach der vorliegenden Erfindung durch eine zur Primärmaschine parallel geschaltete
Batterie die Spannung der Primärmaschine geteilt wird, wobei der Mittelleiter je nach der
Belastung an verschiedene Punkte der Batterie angelegt wird.
Die Wirkung der ersten
Anordnung lässt sich daher im belasteten Zustande mit einer normalen Dreileiteranlage, die der zweiten Anordnung mit einer DreHoitcraniage mit Ausgleichsmaschinen vergleichen.
Während nun bei der Kappschcn Anordnung für alle Belastungen die gleiche E. M. K. in die entfernte Schienenanschlussleitung eingeschaltet ist, wird bei der Anordnung nach Fig. 2 der vorliegenden Erfindung eine veränderliche Gegen-E.M.K. in die unmittelbare Schienen- . Anschlussleitung gelegt ; es wird demnach im ersteren Falle die ganze Batterie dauernd entladen und im letzteren Falle der zwischen Fahrschiene s und Leitung k gelegene Teil der Batterie dauernd geladen und der durch die Fahrschiene s mit der Kontaktleitung f gelegene Teil der Batterie je nach der Grösse der Belastung geladen oder entladen.
Nimmt man nun ferner an, dass in beiden Fällen die unmittelhare (11) unù die entfernte (Anschluss- leitung gleich viel Strom führen, so ist es ohne weiteres ersichtlich, dass die Kappsche
Batterie grösser zu wählen ist, wie die Schaltzellen nach der Anordnung (Fig. 2) vorliegender
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in Dreileiteranlagen charakteristische Stromverteilung stattfindet; es wird also bei letzterer nur ein Teil des des Mitte) ! eitorstromes (Strom in der Leitung n) die Schaltzeilen durchfliessen, während bei ersterer der ganze Aussenleiter (Strom in der Leitung k) durch die Batterie hindurchfliessen muss.
Auch bei dieser Anordnung wird nichts geändert, wenn noch weitere Rückleitungen z. B. Leitung r (Fig. 2) an die Fahrschiene s angeschlossen und mit der Akkumulatorenbatterie c verbunden werden, in welchen ein geringerer Spannungsabfail als in Leitung k stattfindet. Diese Leitungen würden alsdann an einer entsprechenden Schaltzelle zwischen n und k anzuschliessen sein. Bei vollständig unbelasteter Strecke stehen sämtliche Leitungen n, r, k auf derselben Schaltzelle.
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