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Stromverteilungssystem ror elektrische Bahnen.
Die Erfindung bezieht sich auf das an sich bekannte Stromverteilungssystem für elektrische Bahnen, bei welchem die Strecke mit Einphasenwechselstrom gespeist wird, der auf dem Fahrzeug auf mechanischem Wege in Mehrpasenwechselstrom zum Betrieb der Antriebsinduktionsmotoren umgewandelt wird.
Die Erfindung besteht darin, dass für die Umformung des Einphasenwechselstromes Mehrphasenwechselstromgeneratoren verwendet werden, welche in an sich ebenfalls bekannter Weise so ausgebildet sind, dass die Frequenz des erzeugten Wechselstromes bei gleichbleibender Frequenz des Streckeneinphasenstromes, also auch bei gleichbleibender Drehgeschwindigkeit des Umformersatzes, in bestimmten Stufen geändert werden kann, um vor allen Dingen das Anlassen der AntriebsinduktionsMotoren, die bei der allmählichen Einführung des elektrischen Betriebes auf Vollbahnen immer leistungsfähiger gebaut werden müssen, also bezüglich des Anlassens immer mehr Schwierigkeiten bieten, zu erleichtern.
Gleichzeitig wird durch diese Anordnung der Vorteil erreicht, dass die Rückgewinnung des Stromes, der von den Antriebsinduktionsmotoren beim Freilauf, also beim Bergabfahren, erzeugt wird, unter Verwendung der Frequenzänderung innerhalb weiter Grenzen ermöglicht wird, was unter geeigneten Verhältnissen von grosser Wichtigkeit ist und erhebliche Ersparnisse veranlasst.
Das Stromverteilungssystem gemäss der Erfindung kann auch dahin ausgebildet werden, dass die Betriebsstrecke in Abteilungen zerlegt ist, von welchen die eine, beispielsweise auf Landstrassen, direkt mit der Ein- phasenstromll'lel1e verbunden ist, die andere, beispielsweiso in der Stadt, aber unter Zwischenschaltung einer Strcckenumformerstation den niedrig gespannten Mehrphasenstrom den
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Die Erfindung ist auf der Zeichnung zur Veranschaulichung gekommen u. zw. zeigt : Fig. 1 eine schematische Darstellung der gesamten Schaltanordnung und Fig. 2 die Anordnung der Stromumwandlungs- und Steuerapparate auf dem Motorfahrzeug.
Aus den Zeichmmgen ist ersichtlich, dass das System in zwei Teile A und B zerfällt, von welchen i den Landstrassenteil, der beispielsweise mit 20. 000 Volt betrieben wird, und B den Stadtteil für eine Spannung von etwa 500 Volt darstellt. 5 ist ein Einphasenstromerzeuger, dessen Pole mit den Hauptverteilungsleitungen 6 und 7 verbunden sind. Um den Strom aus diesen Leitungen in die Abteilung A zu bringen, werden Zeigleitungen 8 und 9 benutzt. Von diesen Leitungen kann 8 als Arbeitsleitung benutzt werden und 9 mit der oder den Schienen 10 als Riiekleitung verbunden sein.
Um der Abtei ! nng B Strom zuzuführen, wird der Einphasenstrom vom Generator 5 zunächst der Umformerstation X zugeführt, wo er zum Antriebe eines Einphasenmotors C dient, der durch mechanische Verbindung beispielsweise durch eine Welle den Läufer eines Mehrphasenstromerzengers D dreht, dessen Stromphasen über die Zweigleitungen 11, 12, 13 den Schienen 10, 14, 15 zugeführt werden. An Stelle eines rotierenden Umformers auf der Transformatorstation X kann auch ein ruhender Transformator irgendeiner geeigneten Konstruktion benutzt werden, welcher den vom Stromerzeuger 5 kommenden Strom in einen Mehrphasenstrom niedriger Spannung zur Benutzung in dem Stadtteil B umwandelt.
Auf den Schienen beider Abteilungen laufen Motorfahrzeuge E. Jedes Fahrzeug ist mit einem Stromabnehmer 16 auf dem Daeh des Wagens und mit drei Gleitkontakte 17, 18. 19 vorsehen, die unterhalb des
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Fahrzeuges angeordnet sind. Im Xandstrassenteil A steht die Stange 16 mit dem Arbeitleiter 8 und der Gleitkontakt 17 mit der Schiene 10 in Kontakt. Im Stadtteil B wird die Stromabnehmerstange 16 dagegen nicht benutzt, während die drei Gleitkontakte 17, 18, 19 auf den Schienen 10, 14, 15 schleifen.
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kuppelt sind, während die feststehenden Teile 20 entweder an Achsbücbsen des Fahrzeuges oder an dessen Rahmengestell befestigt sind.
Es ist bekannt, dass Mehrphasenmotoren keinerlei Kommutatoren, Kollektoren, Ringe oder Bürsten benötigen und dass sie bei jeder Geschwindigkeit und bei ganz bedeutender Überbelastung ohne Gefahr laufen können, 'Aus vorstehendem ist ersichtlich, dass der der Landstrassenabteilung A zugeführte Strom ein Einphasenström, der der Stadtabteilung B zugeführte Strom dagegen ein durch die Umformerstation aus Einphasenstrom umgeformter Mehrphasenstrom ist. Um daher die Motorfahrzeuge mittelst der Mehrphasenstrommotoren, auch in dem Landstrassenteil A zu bewegen, ist es notwendig, dass jedes Fahrzeug mit einer Einrichtung zur Umwandlung des direkt durch die Leitungen 8, 9 der Abteilung zugeführten Einphasenstromes in einen Mehrphasenstrom versehen ist.
Die Einrichtung, welche für diesen Zweck auf den Fahrzeugen zur Benutzung kommt, ist im wesentlichen die gleiche wie auf der Station Y. Die auf den Fahrzeugen zur Anwendung kommende Einrichtung ist am besten aus Fig. 2 ersichtlich und besteht zunächst aus einem Einphasenmotor C', dessen Ständer 22' mit den Polen eines Schalters 23'verbunden ist, durch welche er in den Stromkreis der vom Hauptgenerator 5 kommenden Leitungen 6, 7 eingeschaltet wird u. zw. über den Stromabnehmer l (i und Gleitkontakt 17. Der Läufer 24' dieses Motors C'sitzt auf einer Achse 25 und seine
Pole sind einerseits mit den Polen der Gleichstromdynamo G', die eine Feldmagnetspule H' besitzt, andererseits mit dem Pol einer Batterie l'verbunden.
Des weiteren gelangt ein
Mehrphasenstromerzeuger D' zur Anwendung, dessen Ständer 26'mit den Zweigleitungen 11', 12" 13'verbunden ist, welche nach den Polen des Schalters 57'führen. Der Läufer 27' dieses Generators sitzt gleichfalls auf der Achse 251 und seine Pole sind durch Bürsten und Kollektorringe mit den Polen der Gleichstromdynamo G' verbunden, die für den
Motor C'und den Mehrphasenstromerzeuger D'als Erreger dient.
Der Läufer 27 des Generators D in F ! g. l (Umformerstation) ist mit zwei Kollektorringen 28 und 29 und zwei Bürsten 30 und 31, der Läufer 27'in Fig. 2 (Fahrzeug) da-
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sehen. Diese Vergrösserung der Anzahl von Kollektorringen und Bürsten hat den Zweck, die Frequenz der den Mehrphasenmotoren F zugeführten Mehrphasenströme im Vergleich zu dem vom Hauptstromerzeuger 5 kommenden Einphasenstrom zu verändern und so eine Veränderung in der Geschwindigkeit der Motoren zu erzielen, ohne hiemit eine Geschwindigkeitsveränderung für den Läufer 27'des Generators D'auf dem Fahrzeuge zu bedingen.
Die hinsichtlich der Frequenzänderung mittelst der beschriebenen Einrichtung zu berücksichtigenden theoretischen Erwägungen sind folgende : Wenn angenommen wird, dass die Frequenz des Einphasenwechselstromes, der dem Motor C'zugeführt wird, 25 Perioden in der Sekunde, d. h. 3000 Polweehsel in der Minute, beträgt, so beträgt die synchrone Geschwindigkeit des vierpoligen Läufers 24' des Motors 750 Umdrehungen pro Minute.
Wenn man weiter berücksichtigt, dass der Läufer 27' des Mehrphasengenerators D'mechanisch durch die Welle 25'mit dem Läufer des Motors C'verbunden ist, so ist ersichtlich, dass der Generator dieselbe Geschwindigkeit haben muss. Daher muss, wenn die vier Pole des Läufers 37'des Generators D'so angeordnet sind, dass ihre Polarität bei der Drehung Nord-Süd-Nord-Süd ist, der vom Generator gelieferte Strom gleichfalls 25 Perioden besitzen, oder mit anderen Worten, die Frequenz des vom Generator D'gelieferten Stromes ist die gleiche wie diejenige des Stromerzeugers 5, welche dem Motor C'zugeführt wird.
Wenn jedoch der vierpolige Läufer 27'des Generators D'mit vier Kollektorringen und mit vier Bürsten ausgerüstet ist und ein Paar der Pole mit einem Paar der Kollektorringe,
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Doppelschalter 36 verbunden sind, so müssen, wenn sich der Schalter in der in Fig. 2 gezeichneten Stellung befindet, die Bürsten 30', 31' von dem Erregerstromkreis Strom nach den Kollektorringen 28', 29'für zwei der Pole in einer bestimmten Richtung zuführen, welche, wie angenommen werden soll, eine Drehung der Pole des Läufers 27'vom Generator D'im Sinne Nord-SUd-Nord-SUd veranlasst.
Wenn jedoch der Schalter 36 sich in der oberen Stellung befindet, so werden die mit den Kollektorringen 28', 29'in Verbindung stehenden Pole gewechselt und die Drehung der Pole des Läufers 27'erfolgt im inne Sord-Nord-Siid-Sild, so dass der Läufer des Generators D' aus einem vierpoligen in
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des Generators'D'und eine geeignete Anzahl von KoUektorringen und Bürsten mit zweckmässigen Polwechselschaltern eine grosse Anzahl von Veränderungen in der Frequenz der Ströme, die vom Generator D'erzeugt werden, erzielt worden kann, wobei der Läufer 24' des Motors Cl mit einer konstanten Geschwindigkeit angetrieben wird.
In vorstehendem ist die Einrichtung zur Verringerung der Frequenz der dem sekundären Verteilungssystem zu liefernden Ströme beschrieben worden. Es ist jedoch ohne weiteres klar, dass auch ähnliche Apparate zur Vergrösserung der Frequenz benutzt werden können. Für die Einschaltung kommen Schalter 37', 38', 39'und Regulierwiderstände 40', 41', 42', 43'zur Benutzung.
Wie schon früher erwähnt, entsprechen die in der Streckenumformerstation X benutzten Apparate denjenigen auf den Fahrzeugen. Um den von der Station X gelieferten Strom zu steuetn (abgesehen von der gegebenenfalls auch beim Generator D zu treffenden Einrichtung zwecks Änderung der Frequenz oder Wechsel des erzeugten Stromes) sind Widerstände 40, 41, 42,43 vorgesehen, die in irgendeiner geeigneten Weise geändert werden können. Um nun in dem Stadtteil B, für welchen die Umformeranlage im Fahrzeuge ausser Betrieb gesetzt ist, also auch die Frequenzänderung dieser Anlage zur Regelung der Ge-
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zu haben, ist in dem Fahrzeuge eine Einrichtung R (Fig. 2) vorgesehen, welche wiederum auf dem Landstrassenteile A ausser Betrieb gesetzt ist.
Diese Einrichtung besteht aus einer Reihe fester Spulen 44, in welchen bewegliche Eisenkerne 45 angeordnet sind. An den oberen Enden dieser Kerne ist ein Glied 46 befestigt, das drehbar mit einem Winkelhebel 47 in Verbindung steht, an welchem ein Handgriff 48 befestigt ist, um den Hebel über einen Sektor 49 zu führen und ihn durch Zapfen oder andere Mittel 50 in irgendeiner geeigneten Stellung festzuhalten. Unterhalb der Kerne 45 befindet sich eine Reihe
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unteren Polen eines Wendeschalters 58 verbunden, wobei die Schaltplatten dieses Schalters über die Leitungen 59, 60, 61 mit den Ständern 20 der Motoren F in Verbindung stehen.
Die Wirkungsweise des ganzen Systems ist nun folgende : Der Landstrassenteil A erht den Arbeitsstrom direkt über die Leitungen 6 und 7 bzw. 10 von dem Hauptstromerzeuger 5, während der Stadtteil B den Arbeitsstrom über die Umformerstation X erhält.
Daher ist es zunächst notwendig, die Apparate in der Station X in Tätigkeit zu setzen, um dem Stadtteil B Strom zuzuleiten. Dies geschieht in folgender Weise : Der Schalter 37 (Fig. 1) wird bei offenem Hauptschalter 23 geschlossen. Dies veranlasst, dass Strom aus der Alckumulatorenbatterie 1 dl1rch Anker und Feld der kleinen Gleichstromdynamo G geht. so dass diese jetzt als Motor wirkt und die Welle-25 und damit die Läufer 24, 27 des Motors C und Mehrphasenstromerzeugers D antreibt. Wenn der Motor C synchron mit dem IIauptstromerzeuger 5 läuft, wird der Schalter 38 geschlossen und hiedurch veranlasst, dass Strom aus der Akkumulatorenbatterie I durch die Wicklung des Läufers 24 des Motors C geht und diesen erregt.
Sobald die Spannung des Motors C derjenigen des Hauptgenerators 5 entspricht, wird der Hauptschalter 23 geschlossen, wodurch der Ständer 22 des Motors C mit den Leitungen 6,7 verbunden wird. Von diesem Zeitpunkte an wird der Motor C direkt durch Strom vom Hauptstromerzeuger 5 als synchronlaufender Einphasenmotor betrieben, während die Gleichstrommaschine G jetzt als Generator wirkt und Gleichstrom zur Erregung liefert. Der Schalter 37 wird nunmehr geöffnet, 39 dagegen geschlossen. Der Motor C treibt den Mehrphasengenerator D an. Gleichzeitig dient die kleine Gleichstromdynamo G als Erreger sowohl für den Läufer 24 des Motors C als auch für den Läufer 27 des Mehrphasengenerators D. Sobald der Mehrphasengeuerator D in Tätigkeit ist, ist dieser in der Lage, den Schienen 10, 14, 15 des Stadtteiles B Strom zn übermitteln.
Die Steuerung der Motorfahrzeuge in den Teilen A und B geschieht in folgender Weise, wobei zu berücksichtigen ist, dass die Apparate auf jedem Fahrzeug mit derjenigen der Station X im wesentlichen identisch sind. Was zunächst den Landstrassenteil A anbetrifft, so ist aus dem linken Teil der Fig. 1 ersichtlich, dass sich der Schalter 57 in seiner oberen Stellung befindet, mit anderen Worten, in einer Stellung, in welcher der von dem Mehrphasengenerator D'erzeugte Strom direkt unter Ausschaltung der Regelungsvorrichtung R in die Mehrphasenmotoren F fliesst.
Um das Fahrzeug in Gang zu bringen, wird der Motor C'und die Generatoren D'und G'zunächst von der Akkumulatorenbatterie I' (Fig. 2) in Gang gesetzt (in derselben Weise, wie auf der Umformerstation X), worauf der Schalter 39' (Fig. 2) geschlossen wird, durch welchen ein schwacher Gleich- strom von dem Anker des Gleichstromgenerators G'durch den Läufer 27" des Mehrphasen-
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generators LY fliesst. Durch die Wirkung dieses Gleichstromes in den Wicklungen des Läufers 27'wird in den Wicklungen des Ständers 26'eine niedrige Spannung induziert und die Ströme werden durch die Leiter lu', 12', 13',
Hauptschalter 57' und Wende- Schalter 58 den Wicklungen der Ständer 20 der Mehrphasenmotoren F zugeführt, so dass eine Bewegung der Läufer Zllund damit eine Bewegung des Fahrzeuges erzielt wird.
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geführte Erregerstrom durch Verringerung des mit den Wicklungen in Reibe liegenden Widerstandes 43' (bzw. 43) verändert werden, wodurch der dem Ständer, 20 des Motors zugeführte Strom stufenweise vergrössert wird, bis er genügend stark ist, um die Anfahrt des Fahrzeuges zu bewirken. Die Bewegungsrichtung des Zuges kann durch Wenden der Stellung des Schalters 58, der seinerseits die Richtung des nach dem Motor F fliessenden Stromes wendet, geändert werden.
Ausser der zur Geschwindigkeitsregelung benutzten Rheostate 43'kann auch, wie schon beschrieben, eine Veränderung in der Geschwindigkeit der Antriebsmotoren und eine Vergrösserung des Anfahrdrehmomentes durch Umstellung
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gelieferten Mehrphasenströme erzielt werden.
Hinsichtlich des Stadtteiles B ist folgendes zu bemerken : Sobald ein Fahrzeug einen Teil des Schienenweges befährt, auf welchem die vom Hauptgenerator 5 gelieferte hohe Stromspannung mit Sicherheit nicht benutzt werden kann, wird der Motor C'und der Mohrphasengenerator D'auf jedem Fahrzeug entkuppelt und angehalten. Die Stellung des Hauptschalters 57 wird dann geändert u. zw. aus der auf der linken Seite der Fig. 1 gezeigten Stellung in diejenige auf der rechten Seite der Fig. l und in Fig. 2 gezeigte Stellung, mit anderen Worten, durch Umlegen des Schalters von der oberen in die untere Lage.
Nimmt der Schalter 57 die in Fig. 2 gezeigte Stellung ein, so sind die Kontakt- schuhe 17, 18, 19 über die Spulen 44 der Regelungsvorrichtung R mit den Arbeitsleitungen 59, 60, 61 und durch diese mit den Ständern 20 der Motoren F in Verbindung.
Soll hiebei ein Fahrzeug in Bewegung gebracht werden, so wird der Handgriff 48 schrittweise nach links bewegt. Durch die Bewegung dieses Handgriffes gehen die Eisenkern 45 nach abwärts aus den Solenoide 44 heraus, wodurch die Reaktanz der Solenoide 44 verringert wird und stärkerer Strom von den Schienen 10, 14, 15 durch die Gleitkontakte 17, 18, 19 nach den Ständern 20 der Mehrphasenmotoren F fliessen kann.
Soll die Geschwindig- keit vergrössert werden, so wird der Handgriff 48 auf die äusserste Stellung nach links gebracht, wodurch die Platten P am unteren Ende der Kerne 45 die Kontakte 51 mit 54, 52 mit 55, 53 mit 56 verbinden und so die Spulen 44 aus dem Stromkreis schalten, so dass
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richtung zur Regelung des aus den Schienen 10, 14, 15 zufliessenden Stromes, die von irgendeiner geeigneten Konstruktion zur Zwischenschaltung von Widerstand oder gegenelektromotorischer Kraft sein kann, können auch noch Mittel zur Einschaltung von Anlasswiderständen in die Wicklungen der Läufer 21 der Motoren F zur Benutzung kommen.
Aus vorstehendem ergibt sich, dass das Kontrollsystem in jedem Teil des Leitungssystems alle Motoren steuert, die mit den Leitungen 59, 60, 61 verbunden sind, so dass also ein sogenanntes Zugsteuerungssystem entsteht. Die Läufer 21 der Motoren F sind direkt auf den Achsen der Fahrzeuge angeordnet, so dass, wenn diese frei laufen, z. B. in Gefällen, die Motoren F Mehrphasengeneratoren werden, während der Mehrphasengenerator D' oder D ein Motor, der Motor C'oder ('dagegen ein Generator wird, 80 dass der Strom des letzteren gleichfalls in die Leitungen 6 und 7 geschickt wird und hier den Strom ver- stärkt. Dieser Zustand währt so lange, bis die Läufer 21 etwas über der synchronen Geschwindigkeit laufen.
Wenn dann auf der Landstrassenstrecke A der Mehrphasengenerator D' auf halbe Frequenz gestellt wird, so sind die Motoren auch dann noch imstande, Strom in die Leitungen zurückzuschicken.
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