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Schaltungsanordnung zur Nutzbremsung für mehrere Einphasen-Kollektormaschinen
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Nutzbremsung von mehreren Einphasen-Kollektormaschinen und zur Unterdrückung der Selbsterregung bei Generatorbetrieb mittels einer weiteren bremsstromabhängigen Kollektormaschine.
Aufgabe der Nutzbremsung ist es, die potentielle und kinetische Energie von Eisenbahnzügen in Form elektrischer Energie in das Netz zurückzuliefern. Dazu müssen die Triebmotoren in der Lage sein, durch eine Umschaltung als Generatoren zu arbeiten, die von dem talwärtsfahrenden oder in der Ebene zu bremsenden Zuggewicht angetrieben werden. Die nächstliegende Lösung dieser Aufgabe, nämlich die Umschaltung auf Reihenschlussgeneratorbetrieb durch Feld- oder Ankerumpolung ist wegen der hiebei auftretenden Selbsterregungserscheinungen nicht zu verwirklichen (Richter : El. Maschinen, Bd. V, Seite 184, Springer-Verlag 1950).
In den vergangenen zirka 50 Jahren wurden eine Vielzahl von Vorschlägen gemacht und ausgeführt, deren Ziel es war, die sogenannte Selbsterregung zu unterdrücken und so den Generatorbetrieb möglich zu machen (Leyvraz, Bulletin Oerlikon 1950, Heft 283, 284 ; österr. Patentschrift Nr. 252398).
Unter Selbsterregung versteht man eine unerwünschte Erscheinung bei Wechselstrom-Kommutatormaschinen, wonach z. B. ein Reihenschlussgenerator nicht nur den gewünschten netzfrequenten Bremsstrom ins Netz liefert, sondern gleichzeitig auch einen parasitären, selbsterregten Gleichstrom oder fremdfrequenten Strom, für den der Transformator bzw. das Netz einen Kurzschluss darstellt. Zufolge des geringen Kurzschlusswiderstandes des Netzes für die Maschine erreichen solche selbsterregten Ströme eine gefährliche Höhe und machen einen ordnungsgemässen Betrieb unmöglich.
Die Erfahrung hat gelehrt, dass auch die modernsten unter den vorgeschlagenen Nutzbremseinrichtungen ihre Aufgabe wider Erwarten nicht in allen Punkten erfüllen konnten, so dass nur die Beschreitung gänzlich neuer Wege Aussicht auf einen wirklich vollen Erfolg hat.
Gemäss der Erfindung ist die Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe zu den als Bremsgeneratoren in Reihenschluss liegenden Einphasen-Kollektormaschinen eine weitere Einphasen-Kollektormaschine geschaltet ist, deren Feldwicklung an den Ausgang eines zusätzlich mindestens von der zeitlichen Änderung des Bremsstromes abhängigen Regelverstärkers angeschlossen ist.
Die Ausgangsspannung des Regelverstärkers ist abhängig von der Grösse des Bremsstromes, von seiner zeitlichen Änderung, von der Grösse des Erregerstromes und von einer Hilfsspannung, deren Grösse und Phasenlage verändert werden kann.
Der selbsterregte Strom wird durch eine ausreichend schnelle in den Hauptstromkreis eingeführte Gegenspannung unterdrückt ; vorteilhafterweise wird eine künstliche Stabilisierung des Reihenschlussgenerators mit regelungstechnischen Baugliedern herbeigeführt, wobei eine geringe Zeitkonstante von wenigen Millisekunden vorliegt, mit der sich die Selbsterregung einstellen könnte.
Die Zeichnung zeigt eine beispielsweise Grundschaltung der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung.
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Der Wechselstromverstärker-6--, der eine sehr geringe Verzögerungszeit und hohe
Spannungsreserve für kurzzeitige Regelvorgänge aufweist, gibt einen Erregerstrom ab, der von diesem selbst, vom Bremsstrom im Hauptkreis, von dessen zeitlicher Änderung sowie von einem einstellbaren
Sollwert abhängig ist. Dieser Sollwert wird beim Ausführungsbeispiel über eine bekannte Phasenschiebeeinrichtung --12-- über ein RL-Netzwerk von der Netzspannung abgeleitet.
Der ohmsche Nebenwiderstand--7--stellt ein Messglied zur Abgabe einer bremsstromabhängigen Signalspannung an den Verstärker dar ; der induktive Nebenwiderstand-8-gibt eine Signalspannung ab, die der Stromänderung in der Zeiteinheit proportional ist ; der ohmsche Nebenwiderstand--13--erzeugt eine erregerstromabhängige Signalspannung. Selbstverständlich können diese Messglieder durch andere bekannte Anordnungen ersetzt werden. Die Signalspannungen entsprechen nicht nur dem stationären Wechselstromanteil, sondern sie erfassen auch den instationär ansteigenden Selbsterregungsstrom in seiner Höhe und Anstiegsgeschwindigkeit.
Grundsätzlich würde die bremsstromabhängige Signalspannung vom ohmschen Nebenwiderstand --7-- genügen, um die Selbsterregung zu unterdrücken, doch zeigt es sich bei Nachrechnung, dass dann die Leistungsverstärkung des Regelverstärkers viel zu hoch würde.
In der vorliegenden Schaltungsanordnung wird dieser Nachteil durch zwei Massnahmen behoben :
1. Durch die Einführung einer zusätzlichen Signalspannung, die dem Stromanstieg proportional ist, tritt der Abfang-Regelmechanismus schon in Aktion, wenn der selbsterregte Strom erst anzusteigen beginnt, also bevor er eine nennenswerte Höhe erreicht hat. Die Selbsterregung wird dadurch gewissermassen schon im Keim erstickt.
2. Durch die Parallelschaltung von ohmschen Nebenschlusswiderständen-9, 10, 11--in den Feldwicklungen der Bremsmaschinen wird eine weitere Entschärfung des
Selbsterregungsvorganges bewirkt, indem der rasch ansteigende Selbsterregungsstrom über den Nebenwiderstand abgeleitet wird.
Die Entschärfung ist umso wirksamer, je kleiner der Wert der parallelgeschalteten Widerstände - -9, 10, 11- ist, jedoch ist diesen nach untenhin durch die steigenden Verluste sowie durch die schlechtere Ausnutzung der Maschinen eine Grenze gesetzt.
Für den sich rasch ändernden Selbsterregungsstrom stellt die Magnetwicklung einen wesentlich höheren Widerstand dar, als der ohmsche Nebenschluss, wogegen das Verhältnis für die netzfrequenten stationären Ströme umgekehrt ist. Dadurch weisen die Motoren für die schnellen selbsterregten Ströme eine andere (günstigere) Charakteristik auf, ohne dass die für den stationären Betrieb notwendige Charakteristik U = f (I) wesentlich beeinträchtigt wird.
Die vorbeschriebene Nutzbremseinrichtung erfüllt alle Forderungen, die an eine brauchbare Nutzbremse gestellt werden müssen :
1. Möglichkeit zur Abbremsung des gesamten Zuggewichtes
2. Günstiger Leistungsfaktor
3. Geringes Gewicht der Zusatzausrüstung
4. Keine zu hohen Stromspitzen bei Bügelabsprüngen
Bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung können während des Bremsvorganges die Motoren - -2, 3, 4- mit dem maximalen, die Stabilisierungsmaschine-5-mit einem Teil ihres elektrodynamischen Momentes bremsen.
Nachdem nun beim Talfahren bzw. beim Verzögern von Massen die Summe der Reibungsverluste im Sinne eines Bremswiderstandes wirken, ist mit der beschriebenen Ausführung die Möglichkeit zur Abbremsung des gesamten Zuggewichtes gegeben. Der Leistungsfaktor der Bremsanlage, der unter anderem ein Kriterium für die Ausnutzung der Maschinen beim Bremsbetrieb darstellt, kann aus folgendem Grund als günstig bezeichnet werden :
Die in den Hauptstromkreis der Bremsmotoren eingeführte Spannung enthält eine Komponente, die von der Netzspannung bzw. von einer mit einfachen Schaltgliedern--12--herstellbaren, phasenverschobenen Spannung abhängt, mit der eine Phasendrehung des Bremsstromes zu besseren cos-Werten möglich ist.
Das Gewicht der Zusatzausrüstung ist im wesentlichen auf den Wechselstromverstärker beschränkt, der nur für die Erregerleistung einer der vier Maschinen zu bemessen ist und bleibt wesentlich unter dem Gewichtsaufwand, der beispielsweise für die Bremsdrossel in der Behn-Schaltung bzw. andern
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bekannten Schaltungen notwendig ist. Das günstige Verhalten bezüglich der auftretenden Stromspitzen bei Bügelabsprüngen, das sich sowohl bei der analogen Simulation als auch bei den praktischen Laborversuchen gezeigt hat, ist vor allem auf die geringen Zeitkonstanten zurückzuführen, mit denen man den Wechselstromverstärker ausführen kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltungsanordnung zur Nutzbremsung von mehreren Einphasen-Kollektormaschinen und zur Unterdrückung der Selbsterregung bei Generatorbetrieb mittels einer weiteren bremsstromabhängigen
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Reihenschluss liegenden Einphasen-Kollektormaschinen (2,3, 4) die weitere Einphasen-Kollektormaschine (5) geschaltet ist, deren Feldwicklung an den Ausgang eines zusätzlich mindestens von der zeitlichen Änderung des Bremsstromes abhängigen Regelverstärkers (6,8) angeschlossen ist.
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