Einrichtung zum Ein- und Ausschalten von über einen rotierenden Gleichstrom-Umformer gespeisten Elektromotoren. Die Erfindung bezieht sich auf eine Ein richtung zum Ein- und Ausschalten von Elektromotoren, zum Beispiel von Motoren elektrischer Bahnen, welche Motoren über einen rotierenden Gleichstromumformer mit Strom gespeist werden. Diese Einrichtung soll vermeiden, dass bei dem häufigen Öff nen und Schliessen des Stromkreises die Mo toren infolge elektrischer und mechanischer Stösse Schaden erleiden.
Dies wird erfin dungsgemäss dadurch erreicht, dass am Stän der des Umformers eine Wicklung ange bracht ist, durch welche bei normaler Dreh zahl des Umformerankers in diesem ein mag netisches Feld von solcher Richtung erzeugt wird, dass an den primären Bürsten eine der Spannung des speisenden Netzes gleiche, aber entgegengesetzt gerichtete elektromotorische Kraft entsteht. Dadurch wird es ermöglicht, einen den primären Stromkreis .des Um formers mit der Stromquelle verbindenden Schalter zu schliessen, ohne dass in den Mo- toren Stösse der erwähnten Art zu befürch ten wären.
Mit Vorteil kann als Umformer ein sol cher der sogenannten Metadyne-Bauart ver wendet werden, der im Bau einer Gleich stromdynamo ähnlich ist. Er besitzt einen bewickelten Läufer (Anker), der mit zu einem Kommutator führenden Wicklungen versehen ist und einen vorzugsweise ausge prägte Pole aufweisenden Ständer, in wel chem sich der Anker dreht. Der Stromwender - es können deren mehrere vorhanden sein ist mit mindestens zwei Bürstenpaaren aus gerüstet. Durch zwei in üblicher Weise ein ander diametral gegenüberstehende (primäre) Bürsten des einen Paares wird dem Anker Strom vom speisenden Netz zugeführt.
Die Anordnung kann so getroffen sein, dass der Strom verbrauchende Motor bezw. die Mo toren entweder zwischen die beiden andern, ebenfalls einander diametral gegenüberstehen den (sekundären) Bürsten des andern Paares eingeschaltet ist, oder dass er zwischen eine (,primäre) Bürste des erstgenannten Paares und eine (sekundäre) Bürste des zweit genannten Paares eingeschaltet werden kann.
Für den Rückschluss der durch die Anker ströme erzeugten magnetischen Flüsse ist vor- teilha.fterweise ein diesen Flüssen einen nur geringen magnetischen Widerstand darbieten der Ständer vorgesehen, der zweckmässiger weise mit verschiedenen Wicklungen ausge rüstet ist, welche die -elektrischen und me chanischen Wirkungen des Motors bezw. der Motoren zu regeln bestimmte magnetische Flüsse erzeugen.
Eine einlässliche Beschreibung eines sol chen Metadyne-Umformers in mathematischer Behandlung ist in dem Aufsatz "Esquisse sur la Metadyne" von G. M. Pestarini im Bulletin scientifique de 1'Association des In- genieurs-Conseils No 4, 1931, veröffentlicht durch das Institut electrotechnique Monte- fiore, Lüttich, enthalten.
Die beigegebenen Zeichnungen zeigen in schematischer Darstellungsweise sieben Aus führungsbeispiele des Erfindungsgegenstan des, bei denen allen als Umformer ein solcher der soeben erwähnten Metadyne-Bauart vor gesehen ist, und zwar der Einfachheit halber ein solcher mit einem einzigen Zyklus, wobei also eine und dieselbe Anordnung der elek trischen und magnetischen Elemente wäh rend einer vollen Umdrehung des Ankers im Luftspalt zwischen Ständer und Anker sich nur einmal wiederholt. In diesem Fäll sind vier Polschenkel vorhanden und .die primären und sekundären Bürsten sind an den Enden zweier zu einander senkrecht stehenden Durchmesser des Läufers angeordnet.
In allen Figuren ist der Anker des Um formers mit 1, der Ständer mit 2 bezeichnet; 3 und 4 sind die primären, 5 und 6 die sekundären Bürsten. Die primäre Bürste 3 ist über den Hauptschalter 7, der hier aus nahmsweise, der Einfachheit halber, nur durch zwei Striche angedeutet ist, zum Bei spiel an die Fahrleitung T angeschlossen, während die andere primäre Bürste 4 bei C an die Erde gelegt ist. In den Fig. 1 bis 4 und 6 ist die Belastung des sekundären Stromkreises durch zwei Motoren 8 und 9 angedeutet, welche an je eine der beiden primären Bürsten und an je eine der beiden sekundären Bürsten in der sogenannten Ach- terschaltung des Umformers angeschlossen sind.
Die Fig. 5 und 7 stellen Belastungs fälle, ebenfalls mit zwei Motoren 8 und 9. dar, wo letztere nur an .die sekundären Bür. sten 5 und 6 in der sogenannten Querschal tung angeschlossen sind; in diesen Fällen kann im Sekundärstromkreis auch bloss ein einziger Motor enthalten sein.
Gemäss Fig. 1 ist .der Ständer 2 des Me- tadyne-Umformers mit Wicklungen versehen, durch welche vor dem Einschalten des Haupt stromkreises Strom fliesst. Dieser Strom er zeugt im Ankerkern unmittelbar einen mag netischen Fluss solcher Richtung, dass in folge .der Drehung des Ankers an den pri mären Bürsten der Maschine eine der Netz spannung entgegengerichtete elektromoto rische Kraft erzeugt wird, ohne dass im se kundären Stromkreis irgend ein Strom fliessen würde.
Gemäss der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind die Stän.derwicklun- gen dagegen so angeordnet, dass im Anker kern ein magnetischer Fluss solcher Richtung erzeugt wird, dass, wenn .der Anker sich dreht, an den sekundären Bürsten eine elek tromotorische Kraft erzeugt wird. Wenn nun der Stromkreis zwischen den sekundären Bür sten geschlossen wird, so fliesst in den Anker wicklungen ein Strom, welcher einen magne tischen Muss im Ankerkern zur Folge hat, so dass die Drehung .des Ankers, wie bei .der vorhin erläuterten Ausführung, zwischen den primären Bürsten eine elektromotorische Kraft erzeugt.
Bei dieser letzteren Ausfüh rungsform werden weniger Amperewindun- gen am Ständer benötigt, um die gewünschte elektromotorische Kraft an den primären Bürsten zu erzeugen.
Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 sind die Polschenkel 10 und 11 des Ständers mit Wicklungen 12, bezw. 13 versehen, wel che mit Hilfe des Schalters 14 zwischen Stromquelle T und Erde G angeschlossen sind. Ist der Hauptschalter 7 offen und der Schalter 14 geschlossen, so werden die Pol schenkel 10 und 11 des Ständers so erregt, dass ein magnetisches Feld mit einer zur Linie a parallelen Axe entsteht. Dieses mag netische Feld kann als die Resultierende von zwei Komponenten aufgefasst werden, deren eine mit der Verbindungslinie der primären Bürsten, .das ist mit der Linie b, .die andere aber mit der Verbindungslinie der sekun dären Bürsten, also mit der Linie c parallel ist.
Wenn der Anker 1 sich dreht, schnei den die Leiter seiner Wicklung die in der Richtung der Linie c liegende Feldkompo nente, wodurch eine elektromotorische Kraft an .den primären Bürsten 3 und 4 entsteht. Der Drehsinn .des Ankers und die Stromrich tung in den Wicklungen 12 und 13 sind hierbei so gewählt, dass, wenn der Schalter 7 geschlossen ist, die entstehende elektro motorische Kraft der- Spannung zwischen Stromquelle T und Erde G entgegengesetzt gerichtet sein wird. Mit andern Worten: das Potential der primären Bürste 3 wird über .dasjenige der Bürste 4 erhöht.
Die Amperewindungen der Polschenkel 10 und 11 und die Anzahl der Ankerleiter und die andern Faktoren sind so bestimmt, dass, wenn der Anker seine normale Drehzahl erreicht, das Potential der primären Bürste 3 dem des Netzes T gleich ist. Nun kann der Hauptschalter 7 ohne Gefahr von Strom stössen oder andern unerwünschten Vor kommnissen geschlossen werden, worauf der Schalter 14 geöffnet wird und der Umformer an das Netz angeschlossen bleibt.
Bezüglich der der Linie b parallelen Feldkomponente findet man nach einiger Überlegung, dass beim gleichen Drehsinn .des Ankers und bei derselben Stromrichtung die Potentiale an den Bürsten 3 und 6 einander gleich sind,. Demzufolge fliesst in dem den Elektromotor 8 enthaltenden sekundären Stromkreis kein Strom, ebenso sind die Potentiale an den Bürsten 4 und 5 einander gleich, so dass auch in dem den Elektromotor 9 enthaltenden Stromkreis kein Strom fliesst.
In Fig. 2 ist die allgemeine Anordnung sehr ähnlich derjenigen der Fig. 1, aber an Stelle der Ständerpole 10 und 11 sind die Polschenkel 15 und 16 mit den Spulen 17 bezw. 18 bewickelt und mit Hilfedes Schal ters 19 zwischen die Stromquelle T und die Erde G geschaltet. Die Ständerspulen 17 und 18 bewirken das Entstehen eines mag netischen Feldes mit einer zur Linie d paral lelen Age, welches Feld als aus zwei in der Richtung der Linien c und b liegenden Kom ponenten zusammengesetzt aufgefasst werden kann.
Wenn man nun annimmt, dass der Anker 1 in der ihm beigebrachten Richtung gedreht wird, erzeugt die mit der Linie b parallele Feldkomponente zwischen den sekundären Bürsten 5 und 6 eine elektro motorische Kraft, welche einen Strom in den die Motoren 8 und 9 enthaltenden sekun dären Stromkreis sendet. Dieser in den Ankerwicklungen fliessende Strom ruft wie- der ein magnetisches Feld in der Richtung der Linie c hervor.
Dieses Feld zusammen mit der in .dieselbe Richtung fallenden Komponente des Feldes parallel zur Linie d wird durch die sich drehenden Ankerleiter geschnitten, wodurch zwischen den Bürsten 3 und 4 eine elektromotorische Kraft in dem Sinne entsteht, dass das Potential der Bürste 3 gleich dem der Stromquelle T wird, worauf der .die Maschine mit dem Netz verbindende Hauptschalter 7 geschlossen werden kann.
In der Fig. 5 ist die Anordnung der Fig. 2 wiedergegeben, jedoch mit dem Unterschiede, dass die Motoren 8 und 9 in der sogenannten Querschaltung, anstatt in der Achterschal tung der Fig. 2, zwischen die sekundären Bürsten 5 und 6 geschaltet sind.
Die eben beschriebenen zwei Schaltungs fälle gemäss Fig. 1, 2 und 5 können in ge wissen Fällen miteinander kombiniert wer den, wobei die Ständerwicklung beide vor hin genannten Wirkungen gleichzeitig her vorruft. Die Summe der durch diese beiden Wirkungen an .den primären Bürsten ent wickelten elektromotorischen Kräfte ist im wesentlichen der Netzspannung gleich.
Die entsprechende Ausführung ist in Fig. 3 dar gestellt, wo die Anordnung der Fig. 2 der jenigen der Fig. 1 überlagert ist, das heisst es sind an allen Polschenkeln, nämlich 10, 11, 15 und 16, Wicklungen 1'2, 13, 17, 18 vorgesehen. Hierdurch entstehen die anhand .der Erläuterungen,der Fig. 1 und 2 beschrie benen Verhältnisse gleichzeitig, mit dem Er folg, dass zwischen den Bürsten 3 und 4 eine elektromotorische Kraft erzeugt wird, welche das Schliessendes Schalters 7, sowie das Anlegen .des Umformers an das Netz ge stattet Die Wicklungen 12, 13, 17 und 18 können mit Hilfe des :Schalters 19 in Serie zwischen :Stromquelle T und Erde G geschal tet werden.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäss Fig. 4, 6 und 7 ist, wie bei den bekannten Hochspannungsschaltern, eine Impedanz vor gesehen, über welche der Umformer an die Spannung des Netzes angelegt werden kann. Als Impedanz kann eine besondere Drossel spule oder eine zusätzliche Ständerwicklung vorgesehen sein, oder die Ständerwicklung kann sogar selbst die Stelle einer Drossel spule vertreten.
Diese letzterwähnte Ausfüh rungsform liegt. dem Ausführungsbeispiel ge mäss Fig. 4 zugrunde, bei welchem die An ordnung der Ständerwicklungen, namentlich diejenige der Wicklungen 12, 13, 17 und 18 ,der im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 getroffenen Anordnung ähnlich ist, jedoch ,der Stromkreis der genannten ,Spulen so über den .Schalter 22 geschaltet ist, dass dieser einen Nebenschluss zu .den Kontakten des Hauptschalters 7 bildet. Auf diese Weise bilden die Ständerspulen eine Impedanz.
Wenn der Schalter 22 geschlossen wird, er hält man folglich :dieselben Verhältnisse, wie bei der Anordnung gemäss der Fig. 3, wobei noch zusätzlich eine Impedanzwirkung er zielt wird, so dass :der Hauptschalter 7 ohne schädliche Wirkungen geschlossen werden kann. Mit Rücksicht auf die vorstehende Be schreibung der Fig. 3 kann auf eine aus führliche Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung gemäss der Fig. 4 verzichtet werden. Teils ausserhalb des Ständers angebrachte Impedanzen sind in Fig. 6 und 7 dargestellt. Die Fig. 6 zeigt eine ähnliche Anordnung wie die Fig. 4, jedoch mit dem Unterschiede, dass noch eine zusätzliche einstellbare Impe danz 23 vorgesehen ist.
Diese Impedanz ist mit den Schaltern 24, 25 und 2,6 versehen, welche den Wert der Impedanz stufenweise bis Null zu verringern gestatten, während dessen die Drehzahl der Maschine bis zum normalen Wert ansteigt.
In der Fig. 7 ist eine ähnliche Anord nung wie in Fig. 6 dargestellt, jedoch ist dort der die Motoren 8 und 9 enthaltende sekundäre Stromkreis nicht in Achterschal tung, sondern in ,der Querschaltung zwischen die Bürsten 5 und 6 geschaltet. Mit Rück sicht auf die Beschreibung der voranstehen den Figuren erübrigt sich eine ausführlichere Auseinandersetzung der Wirkungsweise der Anordnung gemäss Fig. 7.
Bei den oben beschriebenen Anordnungen wurde vorausgesetzt, dass der Anker rotiert, sonst würden ja die Ständerleiter keinen magnetischen Fluss schneiden. Man kann -den Umformer jedoch auch im Ruhezustande an ,das Netz anschliessen, wenn dem Anker .die erwähnte Anlassimpedanz vorgeschaltet wird, falls dieselbe teilweise, oder wie in Fig. 4 im ganzen, aus einer am .Ständer des Umformers angeordneten Wicklung besteht, und noch so angeordnet ist, dass sie bei Stromdurchfluss ein Drehmoment auf den Anker des Umformers ausübt.
Es ist leicht einzusehen, dass, sobald der Anker sich zu drehen anfängt, an -den primären Bürsten eine gegenelektromotorische Kraft entwickelt wird, welche allmählich zunimmt, wenn die Drehzahl,des Ankers bis zum normalen Wert ansteigt. In diesem Moment wird die gegen elektromotorische Kraft im wesentlichen der Netzspannung gleich und kann der Meta- dyne-Umformer unmittelbar an das Netz ge- @schaltet und die Ständerwicklung (mit dem Anlasswiderstande, falls ein solcher vorhan den ist) ausgeschaltet werden.
Die Grösse des Widerstandes kann mit- telst beliebiger geeigneter Vorrichtungen, zum Beispiel mittelst elektromagnetischer Schalter, in der üblichen Weise stufenweise verringert werden, wie man gewöhnlich den Beschleunigungswiderstand von Ankerstrom kreisen beim Anlaufen von Gleichstrom motoren verringert, oder in ähnlicher Weise wie bei Gleichstromanlassern mit Hilfe von sich drehenden Schaltern.
Nachdem die gegenelektromotorische Kraft mit Hilfe der einen oder andern der oben geschilderten Anordnungen gleich der Netzspannung gemacht wurde, kann ein Differentialrelais, welches durch die Span nungsdifferenz der beiden Schalterkontakte betätigt wird, zum Schliessen des Schalters oder zum Freigeben desselben zum Schliessen herangezogen werden. Man kann auch ein Relais verwenden, welches die Gleichheit der Spannungen an den beiden Kontakten des Schalters anzeigt, worauf der Schalter von Hand oder auf irgend eine andere Weise ge schlossen wird. Oder es wird die gegen elektromotorische Kraft mittelst eines In strumentes gemessen, welches zwischen Erde und die mit dem :Schalter verbundene pri märe Bürste angeschlossen wird.
Nachdem die gegenelektromotorische Kraft der Netz spannung wesentlich gleich geworden ist, kann der Schalter durch das betreffende In strument, durch ein Relais, von Hand oder auf irgend eine andere Weise geschlossen werden.
Gemäss einer noch andern Anordnung kann der Schalter nach Ablaufeiner gewissen vorher bestimmten Zeit nach der Erregung der Ständerwicklungen geschlossen werden. wobei diese Zeitdauer so gewählt wird, dass die gegenelektromotorische Kraft den benö tigten Wert erreicht.
Es möge hier noch ausdrücklich erwähnt sein, dass .die Einrichtungen au-eh mit Um formern mit mehreren Zyklen ausgeführt wer den können, also nicht auf die Fälle von Gleichstromumformern mit einem einzigen Zyklus. beschränkt sind.