Einrichtung zur Verbesserung der Kommutation beim Nutzbremsen von Wechselstromkommutatormotoren für elektrische Bahnen. Die Einrichtung zur Verbesserung der Kommutation beim Nutzbremsen von Wech selstromkommutatormotoren für elektrische Bahnen besteht nach dem Hauptpatent darin, dass Mittel vorgesehen sind, die beim Nutz bremsen die elektrischen Verhältnisse des Erregerkreises des rückarbeitenden Motors derart verändern, dass Anker- und Erreger strom des Motors wenigstens näherungsweise in Phase zu liegen kommen. Die praktische Ausführung benützt einen Phasenregler,
wel cher in den Erregerstromkreis des rückarbei tenden Motors eingeschaltete Wechselstrom widerstände so lange selbsttätig verstellt, bis die angestrebte Phasengleichheit erreicht ist. Die Einschaltung phasendrehender Wech selstromwiderstände, insbesondere von in Reihe zur Erregerwicklung liegenden Kapa zitäten, bedingt, dass der gesamte Erreger stromkreis ausgesprochene Resonanzstellen besitzt, in deren Umgebung sich die Phase als Funktion der Frequenz besonders stark ändern kann. Durch die selbsttätige Ver- stellung der Wechselstromwiderstände wird also die Resonanzfrequenz und damit die Phase des Erregerstromes geändert.
Durch verhältnismässig geringe Änderungen der Re sonanzfrequenz des Erregerstromkreises in bezug auf die Netzfrequenz können demnach grosse Phasenänderungen des Erregerstromes herbeigeführt werden, so dass auch unter un günstigen Betriebsbedingungen stets eine gute Kommutation beim Nutzbremsen mög lich ist.
Die Erfindung sieht nun bei einer Ein richtung nach dem Patentanspruch des Hauptpatentes vor, zur Verbesserung der Kommutation die Induktivität und damit die Resonanzfrequenz des Erregerkreises des rückarbeitenden Motors zu verändern. Unter einer Resonanzfrequenz ist dabei diejenige Frequenz verstanden, bei welcher sich an den Speisepunkten des fraglichen Resonanzkrei ses gemessen, die Phase Null zwischen Strom und Spannung ergibt. Die Änderung der In duktivität des Erregerkreises zur Erzielung der angestrebten Wirkungen bringt tech nische Vorteile mit sich, die nachfolgend an Hand des in der Zeichnung schematisch dar gestellten Ausführungsbeispiels näher erläu tert werden.
In der Zeichnung ist die Schaltung des Motors 1 für Nutzbremsung wiedergegeben. Sämtliche nicht unmittelbar zum Verständ nis notwendigen Teile der Einrichtung, wie Umschaltungen vom motorischen Betrieb auf Nutzbremsen und dergleichen, sind aus Grün den der Übersichtlichkeit weggelassen. Der Motor 1 ist mit der Kompensationswicklung 2, der Wendewicklung 3 und der Erreger wicklung 5 versehen und an die Unterspa,n nungsseite des Speisetransformators 4 ange schlossen. Bei der Nutzbremsung ist mit der Wendewicklung 3 ein Ohmscher Widerstand 6 in Reihe geschaltet, dem ein induktiver Widerstand 7 parallelgeschaltet ist.
Ferner liegt in Reihe mit dem Motoranker 1 wäh rend des Nutzbremsens ein Stabilisierungs- widerstand 8, dessen Zweck es ist, die Selbst erregung des rückarbeitenden Motors auf einer netzfremden Frequenz zu verhindern. In Verbindung mit dem den stark ausgezo genen Erregerkreis speisenden Hilfstransfor mator 11 übt der Widerstand 8 ausserdem noch eine gegenkompoundierende Wirkung aus. Der Hilfstransformator 11 ist an den Abgriff 9 des Speisetransformators gelegt und wird aus noch zu erläuternden Gründen vorzugsweise regelbar ausgeführt, was durch den eingetragenen Pfeil veranschaulicht sei.
Mit 16 ist der Fahrschalter bezeichnet, der beispielsweise als Stufenschalter ausgebildet sein kann und verschiedene Übersetzungsver hältnisse am Transformator 4 herstellt.
Die Resonanzfrequenz des Erregerkreises ist nun zur Hauptsache durch die Selbst induktion der Erregerwicklung 5 und durch die Grösse der zu ihr in Reihe liegenden Kapazität 10 gegeben. Die Dämpfung dieses Resonanzkreises bestimmt sieh hingegen hauptsächlich aus den Ohmschen Widerstän den, insbesondere der Erregerwicklung 5 und dem Speisetransformator 11. Auch der Sta- bilisierwiderstand 8 nimmt einen bestimmten Anteil an der Gesamtdämpfung ein. Die Resonanzfrequenz des Erregerkreises ist nun derart zu wählen, dass der Erregerstrom we nigstens annähernd phasengleich mit dem Ankerstrom ist. Dies ist der Fall, wenn die Resonanzfrequenz des Erregerkreises nahezu gleich der Netzfrequenz ist.
Geringe Ände rungen der Resonanzfrequenz des Erreger kreises verursachen sofort eine entsprechende starke Phasendrehung zwischen Strom und Spannung im Erregerkreis. Da die Phase der Spannung durch den Transformator 11 und durch den Spannungsabfall am Widerstand 8 gegeben ist, erzeugt demnach eine Ände rung der Resonanzfrequenz eine einstellbare Phasendrehung des Erregerstromes.
Es ist daher leicht möglich, die Resonanzfrequenz stets so einzustellen, dass auch bei den ver schiedensten Betriebsbedingungen immer die obenerwähnte Phasengleichheit besteht, so dass eine gute Kommutation und ein hoher cos 99 im rückarbeitenden Motor sicherge stellt ist.
Dies kann man mittels des Phasen reglers 12 erzielen, dessen eine Wicklung 14 parallel zu einem im Erregerkreis einge brachten Shunt 41 liegt. Die andere Wick lung 15 des Phasenreglers ist an den beiden Klemmen des Shunts 4? angeschlossen, der in den Ankerstromkreis eingeschaltet ist.
Der Phasenregler 12, welellcl:- auf der Phasen gleichheit zwischen den durch seilte Wick lungen 14 und 15 fliessenden Strömen regelt, wird nun dazu verwendet, Schaltelemente im Erregerkreis zu :,teuern. welche die Resonanz frequenz im richtigen Sinne verschieben. An sieh kann man die Resonanzfrequenz auf ver schiedene Weise verstellen. Beispielsweise könnte man mittels des Phasenreglers 12 die Grösse der Kapazität 10 über einen Stufen schalter entsprechend ändern.
Wegen der starken Phasenänderung in der Nähe der Re sonanzfrequenz und wegen der unvermeid lichen Frequenzschwankungen des Speise netzes ist aber eine hohe Allzahl Stufen not wendig. Ausserdem ist eine stufenweise Än derung der Kapazität hinsichtlich des ge samten Regelvorganges nicht geeignet, weil ein dauerndes Ansprechen des Phasenreglers 12 bei zu groben Stufen unvermeidlich ist. Ähnliche Nachteile ergeben sich, wenn man zur Änderung der Resonanzfrequenz stufen weise veränderliche Widerstände in geeigne ter Schaltung benützt. Nach der Erfindung wird daher die Induktivität des Erregerkrei ses zur Einstellung der erforderlichen Reso nanzfrequenz verändert.
Am besten erfolgt dies mittels einer zusätzlichen Regeldrossel 40, die in Reihe mit der Erregerwicklung 5 liegt und beispielsweise etwa max.<B>25%</B> der Selbstinduktion derselben besitzt. Bei Regel drosseln ist es mit einfachen Mitteln mög lich, entweder eine hohe Anzahl Anzapfun gen anzubringen oder selbst eine stufenlose Regelung ihrer Selbstinduktion vorzuneh men. Ein für Fahrzeuge wesentlicher Vor teil gegenüber der Regelung der Kapazität oder der Regelung von Widerständen ist ferner in der Ersparnis an Raum und Ge wicht gegeben. Des weiteren kann die Ge samtkapazität der kostspieligen Kondensato- ren herabgesetzt werden.
In der praktischen Ausführung wird die Regeldrossel von einem in seiner Drehrichtung umschaltbaren Ver stellmotor eingestellt, der dann bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei spiel vom Phasenregler 12 ein- und ausge schaltet wird. Der Verstellmotor wird still gesetzt, sobald die erforderliche Resonanz frequenz und damit die richtige Phase im Er regerkreis für die Netzfrequenz erreicht ist.
Bei Nutzbremsung gibt man dem Er regerstrom eine geringe Voreilung gegenüber der Spannung am Speisetransformator. Um dies zu erreichen, kann man beispielsweise in eine der Zuleitungen zu den Spulen 14 und 15 phasendrehende Schaltelemente ein fügen. Ferner ist es möglich, Hilfsspannun gen anzuwenden, welche gegenüber den von den Shuntwiderständen 41 oder 42 abgegrif fenen Spannungen in entsprechender Weise phasenverschoben sind. Ausserdem kann die Spule 15 des Phasenreglers nicht mit einem dem Ankerstrom proportionalen Strom, son dern mit einem unmittelbar von der Span nung am Speisetransformator 4 abgeleiteten Strom erregt werden.
Der Zweck solcher Massnahmen ist, die obengenannte Voreilung des Erregerstromes sicherzustellen. Weil nun der Phasenregler 12 stets auf verschwin- dende Phase zwischen den Strömen in den Wicklungen 14 und 15 regelt, ergibt sich, dass bei der verlangten Voreilung des Er regerstromes die Resonanzfrequenz höher sein muss als die Netzfrequenz. Der Erreger kreis ist daher etwas gegen die Netzfrequenz verstimmt. Die Verstimmung verursacht aber im allgemeinen eine unerwünschte Abnahme des Erregerstromes, welche die Leistung des Motors 1 herabsetzt.
Diesem Nachteil kann man dadurch begegnen, dass gleichzeitig mit der Änderung der Selbstinduktion 40 die Dämpfung des Erregerkreises so verringert wird, dass trotz der Verstimmung der Er regerstrom annähernd konstant bleibt. Die Dämpfungsänderung lässt sich aber nur durch Zu- oder Abschalten von Ohmschen Widerständen im Erregerkreis durchführen. Abgesehen von der dazu benötigten uner wünschten Schaltvorrichtung, die mit dem Verstellmechanismus der Drossel 40 zu kup peln ist, kann eine zu weitgehende Dämp- fungsverminderung zu gefährlichen Reso nanzspannungen führen.
Es ist vorteilhaft, die Dämpfung nicht durch zusätzliche Schalt elemente zu ändern, sondern die vom Hilfs transformator 11 gelieferte Speisespannung bei einer Verstimmung entsprechend herauf zu setzen. Der Hilfstransformator 11 kann ohne Schwierigkeit entweder mit der entsprechen den Anzahl Anzapfungen versehen oder auch stufenlos regelbar sein.
Dabei ergibt sich der weitere Vorteil, dass der Verstell mechanismus des Transformators 11 ent weder unmittelbar vom Phasenregler 12 be tätigt wird oder eine eigene Regelvorrich tung besitzt, welche unabhängig von der Be lastung, das heisst unabhängig von der Grösse der Drossel 40, den Sekundärstrom und da mit den Erregerstrom auf der vorgeschrie benen Höhe hält.
Device for improving the commutation during regenerative braking of AC commutator motors for electric railways. The device for improving the commutation during regenerative braking of Wech selstromkommutatormotoren for electric railways consists, according to the main patent, in that means are provided which, during regenerative braking, change the electrical conditions of the excitation circuit of the backworking motor in such a way that armature and excitation current of the motor are at least approximately come to rest in phase. The practical version uses a phase regulator,
which alternating current resistors switched on in the excitation circuit of the reverse motor automatically adjusts itself until the desired phase equality is achieved. The activation of phase-rotating AC resistors, especially capacities in series with the exciter winding, requires that the entire exciter circuit has pronounced resonance points, in the vicinity of which the phase can change particularly strongly as a function of frequency. The automatic adjustment of the alternating current resistances changes the resonance frequency and thus the phase of the excitation current.
With relatively small changes in the resonance frequency of the excitation circuit with respect to the mains frequency, large phase changes in the excitation current can be brought about, so that good commutation during regenerative braking is always possible, including under unfavorable operating conditions.
The invention now provides a device according to the claim of the main patent, to improve the commutation, to change the inductance and thus the resonance frequency of the excitation circuit of the backworking motor. A resonance frequency is understood to mean that frequency at which, measured at the feed points of the resonance circle in question, the phase zero between current and voltage results. The change in the inductivity of the excitation circuit to achieve the desired effects brings technical advantages with it, which are explained in more detail below with reference to the exemplary embodiment shown schematically in the drawing.
In the drawing, the circuit of the motor 1 for regenerative braking is shown. All parts of the device that are not immediately necessary for understanding, such as switching from motorized operation to regenerative brakes and the like, have been omitted for reasons of clarity. The motor 1 is provided with the compensation winding 2, the reversing winding 3 and the exciter winding 5 and connected to the Unterpa, n voltage side of the supply transformer 4 is. During regenerative braking, an ohmic resistor 6 is connected in series with the reversing winding 3, to which an inductive resistor 7 is connected in parallel.
Furthermore, a stabilization resistor 8 is connected in series with the motor armature 1 during regenerative braking, the purpose of which is to prevent the self-excitation of the motor working backwards at a frequency not connected to the network. In conjunction with the auxiliary transformer 11 feeding the strongly drawn out exciter circuit, the resistor 8 also has a counter-compounding effect. The auxiliary transformer 11 is connected to the tap 9 of the supply transformer and is preferably designed to be controllable for reasons to be explained, which is illustrated by the arrow.
The driving switch is denoted by 16, which can be designed as a step switch, for example, and produces various translation ratios on the transformer 4.
The resonance frequency of the excitation circuit is now mainly given by the self-induction of the excitation winding 5 and by the size of the capacitance 10 lying in series with it. The damping of this resonance circuit, however, is mainly determined by the ohmic resistances, in particular the excitation winding 5 and the feed transformer 11. The stabilizing resistor 8 also makes up a certain proportion of the total damping. The resonance frequency of the excitation circuit must now be selected such that the excitation current is at least approximately in phase with the armature current. This is the case when the resonance frequency of the excitation circuit is almost the same as the mains frequency.
Small changes in the resonance frequency of the excitation circuit immediately cause a correspondingly strong phase shift between current and voltage in the excitation circuit. Since the phase of the voltage is given by the transformer 11 and by the voltage drop across the resistor 8, a change in the resonance frequency accordingly generates an adjustable phase rotation of the excitation current.
It is therefore easily possible to always set the resonance frequency so that the above-mentioned phase equality always exists even under the most varied of operating conditions, so that good commutation and a high cos 99 in the backworking motor is ensured.
This can be achieved by means of the phase regulator 12, one winding 14 of which is parallel to a shunt 41 placed in the excitation circuit. The other winding 15 of the phase regulator is connected to the two terminals of the shunt 4? connected, which is switched into the armature circuit.
The phase regulator 12, welellcl: - regulates the phase equality between the currents flowing through roped windings 14 and 15, is now used to control switching elements in the exciter circuit. which shift the resonance frequency in the right sense. You can adjust the resonance frequency in different ways. For example, the size of the capacitance 10 could be changed accordingly by means of the phase regulator 12 via a step switch.
Because of the strong phase change in the vicinity of the resonance frequency and because of the unavoidable fluctuations in frequency of the supply network, however, a high number of levels is necessary. In addition, a gradual change in the capacity with regard to the entire control process is not suitable, because a permanent response of the phase regulator 12 is inevitable at too coarse levels. Similar disadvantages arise if one uses variable resistors in a suitable circuit to change the resonance frequency. According to the invention, therefore, the inductance of the Erregerkrei ses is changed to set the required resonance frequency.
This is best done by means of an additional regulating choke 40, which is in series with the excitation winding 5 and, for example, has a maximum of 25% of its self-induction. With regulating throttles, it is possible, please include simple means, either to attach a large number of taps or to make a stepless regulation of their self-induction. A significant advantage for vehicles compared to regulating the capacity or regulating resistances is also given in the saving of space and weight. Furthermore, the total capacity of the expensive capacitors can be reduced.
In the practical version, the control throttle is set by a reversible in its direction of rotation Ver actuator motor, which is then switched on and off in the game Ausführungsbei shown in the drawing of the phase regulator 12. The adjusting motor is stopped as soon as the required resonance frequency and thus the correct phase in the He control circuit for the mains frequency is reached.
With regenerative braking, the excitation current is given a slight lead over the voltage at the supply transformer. In order to achieve this, one can, for example, insert phase-rotating switching elements into one of the leads to the coils 14 and 15. Furthermore, it is possible to use auxiliary voltages which are phase-shifted in a corresponding manner with respect to the voltages tapped by the shunt resistors 41 or 42. In addition, the coil 15 of the phase regulator cannot be excited with a current proportional to the armature current, but with a current derived directly from the voltage at the supply transformer 4.
The purpose of such measures is to ensure the above-mentioned lead of the excitation current. Because the phase regulator 12 now always regulates the vanishing phase between the currents in the windings 14 and 15, the result is that the resonance frequency must be higher than the mains frequency when the excitation current is advanced. The excitation circuit is therefore somewhat out of tune with the mains frequency. However, the detuning generally causes an undesirable decrease in the excitation current, which reduces the output of the motor 1.
This disadvantage can be countered by reducing the damping of the excitation circuit at the same time as the change in self-induction 40 so that the excitation current remains approximately constant despite the detuning. The change in attenuation can only be carried out by connecting or disconnecting ohmic resistances in the excitation circuit. Apart from the undesired switching device required for this purpose, which is to be coupled with the adjustment mechanism of the throttle 40, too extensive a reduction in attenuation can lead to dangerous resonance voltages.
It is advantageous not to change the damping by additional switching elements, but to increase the supply voltage supplied by the auxiliary transformer 11 accordingly in the event of a detuning. The auxiliary transformer 11 can either be provided with the corresponding number of taps or be continuously adjustable without difficulty.
This has the further advantage that the adjustment mechanism of the transformer 11 is either operated directly by the phase regulator 12 or has its own control device which is independent of the load, i.e. independent of the size of the choke 40, the secondary current and because it keeps the excitation current at the prescribed level.