Nutzbremsschalteinrichtung für Einphasen-Kollektormotoren, insbesondere Bahnmotoren. Für Bahnen, die mit Einphasenstrom ge speist werden, sind verschiedene Nutzbrem@s- schalteinrichtungen bekannt geworden, um die bei der Talfahrt freiwerdende Energie wieder an den Fahrdraht abzugeben..
Bei einigen bekannten Anordnungen wird der Anker unmittelbar den Anzapfungen des Transformators entlang geschaltet, wobei für die Erregung rotierende Umformer oder regelbare Kondensatoren verwendet werden. Das Einregeln der Feldphase erfordert eine oft komplizierte selbsttätige Einrichtung und beansprucht einige Zeit zur Einleitung der Bremsung.
Bei andern bekannten Anordnungen wird durch eine im Ankerstromkreis liegende Bremsdrosselspule eine grosse Unempfindlich keit erreicht. Bei einer dieser Schaltungen werden die Feldwicklungen unmittelbar oder über einen Erregertransformator an den Haupttransformator angeschlossen. Die Feld stromphase ist gegenüber der Transformator spannung um etwa 90 verschoben.
Diese Schaltung ist in Fig. 1 der beiliegenden Zeichnung schematisch :dargestellt. F'ig. 2 ist das zugehörige Vektordia-gramm, in welehem die ohmschen und induktiven Spannungsab- fälle der Einfachheit halber weggelassen sind.
Die EMK sind durch dünneschwarze Pfeile dargestellt und mit E bezeiehnet, wäh rend die Ströme durch dicke, weisse Pfeile dargestellt und mit J bezeichnet sind.
Der Drehsinn der Vektoren ist durch einen Pfeil in Fig. 2 angegeben. Die Indizes beziehen sich auf .die verschiedenen Stromkreisele- mente, und zwar bedeuten:
A = Anker, D = Bremsdrosselspule, F = Feldwicklung, E' bezw. E" die Primär- bezw. @Sekundär- wicklung des Erregertransformators, welcher die Feldspannung an die Ankerspannung an passt und T die Sekundärwicklung des Fahr zeugtransformators,
von welcher die gewählte Spannung mit Hilfe des iStufenschalters ab gegriffen wird. (p ist der Phasenwinkel zwi- sehen Transformator-E MK und rückgewonne nem Strom, während z1' der Winkel zwischen Anker-MIK und Ankerstrom ist.
Aus dem Diagramm Fig. 2 geht hervor, dass die Ank@er-F@MK (EA) und die Trans- formator-EMK (ET) aufeinander senkrecht stehen. Beide EMK werden für die am häu figsten vorkommende Geschwindigkeit vor teilhaft ungefähr gleich gross gewählt, wo durch die Ausnützung der Bremsdrosselspule am höchsten ist, wie sich leicht nachweisen lässt.
Die Scheinleistung der Bremsdrossel spule wird dann - wie leicht bewiesen wer den kann - allgemein PD = PR . 2 tg
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wobei PP die rückgewonnene Wirkleistung und a der zwischen Feldstrom und Transfor- mator-E14ZK (ET) eingeschlosseneZ'GTinkel ist.
Beider Schaltung nach Fig. 1 beträgt der Winkel a =<B>90';</B> also wird die Drossel spulenleistung PD = 2 PR gleich der doppel ten rückgewonnenen Leistung. In 'Wirklich keit ist infolge der ohmschen Spannungsab fälle in den Feldwicklungen der Winkel a ungefähr 95 , also PD = 2,2 PR.
Es ist. nun ohne weiteres ersichtlich, dass durch Verklei nerung des Winkels a eine wesentlich bessere Ausnützung der Bremsausrüstung und auch höhere Leitungsfaktoren erreicht werden. #So beträgt die Drosse1spulenleistung bei einem Winkel a = 45 . nur noch das 0,83fache der rückgewonnenen Leistung PR. In Wirk lichkeit ist der Gewinn noch etwas grösser, weil die Drosselspule um den (konstanten) Betrag der Anherreakta_nz verkleinert wer den kann, was bei der kleinen Drosselspule verhältnismässig mehr ausmacht.
Der Lei stungsfaktor cos cp bei höchster Ausnützung der Bremsdrosselspule liegt bei der Schal- tung nach Fig. 1 zwischen 0,65 und 0,7; bei einer Schaltung mit a = 45 ungefähr zwi schen 0,85-0,9.
Es sind sodann verschiedene Schaltungen bekannt geworden, um den Winkel a zu ver kleinern. Anordnungen mit rotierenden Um formern sind teuer und oft kompliziert, er fordern besonderen Unterhalt und haben ausserdem den Nachteil, dass die Bremsung ernst nach erfolgtem Anwurf einsetzen kann. Es sind auch statische Kondensatoren mit Er folg angewendet worden; doch steht vorläufig deren Prei einer weiteren Verbreitung ent gegen.
Es ist auch eine Schaltanordnung bekannt geworden, welche in Fig. 3 dargestellt ist. Dort wird parallel zur Feldwicklung ein ohmscher Widerstand R und zu beiden in Reihe eine Drosselspule L geschaltet, die an die Sekundärspannung ER" des Erregertrans formators angeschlossen ist. Im übrigen sind die Anordnung und die Bezeichnungen die gleichen wie bei der Schaltung nach Fig. 1.
Aus dem Vektordiagramm Fig. 4 geht her vor, dass der Winkel a zwischen dem Feld strom Jr und der Transformator-EMK (ET) kleiner ist als bei der Schaltun-; nach Fig. 1. Der Winkel a wurde zu etwa 60 angenom men.
Die Bretnsd:rosselspule D wird entspre chend kleiner, ebenso die Phasenversehiebun- zwischen Feldstrom Jr und Ankerstrom <I>JA.</I> Die L eistung der Bremsdrosselspule<I>D</I> beträgt noch das 1.16fache der rückgewon nenen Leistung.
Der Leistungsfaktor cos P zwischen Ankerstrom<B>JA</B> und der Anker- MIK (EA) ist auf 0.86 verbessert worden. wogegen der Leistungsfaktor cos q: an den Sekundärklemmen des Transformators T un gefähr gleich bleibt wie bei der Schaltung Fig. 1, nämlich 0;66.
Die zu dieser Verbesse- run.b notwendigen Mittel sind eine Drossel spule L, deren Leistung das 0.-96fache, und einWiderstund, dessen Leistung das 0,15faehe der zurückgewonnenen Leistung beträgt. Eine weitere Verkleinerung des Winkels a würde die dazu erforderlichen Mittel unverhältnis mässig steigern, weil der von den Strom vektoren JR und JI, eingeschlossene j@Tinkel kleiner wird, wodurch diese Ströme rasch an wachsen.
Deshalb bleibt die Anordnung naab Fiib. 3 in ihrer Anwendbarkeit beschränkt und ist für eine durchgreifende Verbesserung der Leistun:bsfaktoren ungeeignet.
Erfindungsgemäss kann mit geringeren :Mitteln eine weitgehendere Verkleinerung des Winkels a erreicht werden, wenn mit dem zum Feld parallel geschalteten ohmschen Widerstand eine Wicklum, in Reihe ge schaltet wird, deren 'N#@Tindunben vom Fluss der Bremsdrosselspule durchflossen -werden. Eine solche Anordnung ist beispielsweise in Fig. 5 dargestellt.
Die zusätzliche Wick lung auf der Bremsdrosselspule D ist mit TT' bezeichnet und mit dem Widerstand R in Reihe geschaltet; beide sind zur Feldwick lung I' parallel geschaltet. Die übrigen Be zeichnungen sind die gleichen wie in Fig. 1 und Aus dem zugehörigen Vektor diagramm Fig. 6 ist die Wirkung,der Wicklung W er sichtlich.
Die EMK (Ew) dieser Wicklung ist in Phase mit der EMK (ED) der Brems drosselspule D. Durch Einfügen dieser EMK wird die EMK (ER) des ohmschem Wider standes R verkleinert und gleichzeitig gegen den Uhrzeigersinn abgedreht.
Der im Wi derstand R fliessende 'Strom JR verläuft nun nicht mehr senkrecht zum Feldstrom JF wie im Diagramm Fig. 4, sondern schliesst mit dem Feldstrom JF einen wesentlich kleineren Winkel ein. Dadurch wird das aus JF, JR und JL bestehende Stromdreieck .gegenüber demjenigen .der Fig. 4 wesentlich verkleinert. Die im Widerstand R bezw. in,der Drossel spule L fliessenden Ströme sind wesentlich kleiner als bei den bekannten Schaltanord nungen.
Daraus ergibt sieh die Möglichkeit, mit verhältnismässig geringen Mitteln eine dvmchgreifende Verbesserung der Leistungs faktoren und Verkleinerung der Bremsdros- selspule zu erreichen.
Die Leistung der Bremsdrosselspule D beträgt mit Einechluss der zusätzlichen Wicklung W nur noch das 0,93fache der rückgewonnenen Leistung. Der L,iGtungsfah-tor cos #U zwischen ,dem Anker strom JA und der Anker-EMK (EA) ist auf 0,92 gestiegen.
Gleichzeitig erreicht der Lei- stunb faktor cos < p an den Sekundärklemmen des Transformators den Wert von 0,85. Die zu dieser Verbesserung notwendigen Mittel sind eine Drosselspule L, deren Leistung,das 0,13fache, und ein ohmscherWiderstand, des sen Leistung .das 0,07fache der rückgewonne- nen Leistung beträgt.
Die Vorteile gegen über den bekannten Schaltungen ergeben sich aus dem Vergleich der entsprechenden Zah len. Eine Verbesserung der Feldstromphase von .15 wird bei dieser Anordnung mit der Hälfte der Mittel errreicht, mit denen man bei der bekannten Anordnung eine Verbesse rung von nur 30 erreicht. Ein weiterer Vorteil kann in gewissen Fällen ausgenützt werden, wenn die Brems. drosselspule und die Feldwicklung an irgend einer ,gemeinsamen Klemme angeschlossen sind,
so dass .die zusätzliche Wicklung W und die Drosselspule D eine gemeinsame Klemme haben können. Es kann die zusätzliche Wick lung ganz wegfallen, wenn der Widerstand P an eine Anzapfung der Bremsidro@sselspule D gelegt wird.
Ein solches Ausführun@gsbeispiel dies Erfindungsgegenstandes ist in Fi.g. 7 dar- gestellt. Hier kann man sich die zusätzliche Wicklung W der Fig. 5 mit der Wicklung D#! vereinigt denken, während. die Wicklung Dl den übrigen Teil der Drosselspule dar stellt.
Aus dem Diagramm Fig. 6 ergibt sich, dass der Strom in der Wicklung DZ gleich der Vektorsumme von JA und Jw ist. Da beide Ströme beinahe in Opposition sind, wird der die Wicklung D2 durchfliessende, resultie rende .Strom wesentlich kleiner als derjenige in der Wicklung D,. Es kann also nicht nur die besondere Wicklung W entfallen,
sondern der ihr entsprechende Teil D2 der Brems drosselspule kann noch kleiner ausgelegt wer den. Unter Ausnützung dieses Vorteils be trägt die Drosselspulenleistung insgesamt nur noch das 0,73fache der rückgewonnenen Leistung.
Regenerative brake switching device for single-phase collector motors, in particular rail motors. For railways that are fed with single-phase electricity, various regenerative braking devices have become known in order to return the energy released during the descent to the contact wire.
In some known arrangements, the armature is connected directly along the taps of the transformer, rotating converters or controllable capacitors being used for the excitation. Adjusting the field phase often requires a complicated automatic device and takes some time to initiate braking.
In other known arrangements, a large insensitivity is achieved by a brake inductor located in the armature circuit. In one of these circuits, the field windings are connected to the main transformer either directly or via an excitation transformer. The field current phase is shifted by about 90 compared to the transformer voltage.
This circuit is shown schematically in FIG. 1 of the accompanying drawing. F'ig. 2 is the associated vector diagram in which the ohmic and inductive voltage drops have been omitted for the sake of simplicity.
The EMF are represented by thin black arrows and denoted by E, while the currents are represented by thick, white arrows and denoted by J.
The direction of rotation of the vectors is indicated by an arrow in FIG. The indices relate to the various circuit elements, namely:
A = armature, D = brake choke coil, F = field winding, E 'resp. E "the primary or secondary winding of the excitation transformer, which adapts the field voltage to the armature voltage, and T the secondary winding of the vehicle transformer,
from which the selected voltage is picked up using the i-stage switch. (p is the phase angle between transformer E MK and recovered current, while z1 'is the angle between armature MIK and armature current.
The diagram in FIG. 2 shows that the armature F @ MK (EA) and the transformer EMF (ET) are perpendicular to one another. Both EMFs are chosen to be approximately the same size for the most frequently occurring speed, where the use of the brake choke coil is the highest, as can be easily demonstrated.
The apparent power of the brake choke coil is then - as can easily be proven - generally PD = PR. 2 days
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where PP is the recovered active power and a is the Z'GTinkel enclosed between the field current and the transformer E14ZK (ET).
In the circuit according to FIG. 1, the angle a = <B> 90 '; </B> So the choke coil power PD = 2 PR is equal to twice the recovered power. In reality, due to the ohmic voltage drop in the field windings, the angle α is approximately 95, i.e. PD = 2.2 PR.
It is. It is now readily apparent that by reducing the angle a, a significantly better utilization of the braking equipment and higher performance factors can be achieved. #Thus, the inductor coil power is at an angle a = 45. only 0.83 times the recovered power PR. In reality, the gain is a little bigger because the choke coil can be reduced by the (constant) amount of the reaction, which is relatively more with the small choke coil.
The power factor cos cp with maximum utilization of the brake choke coil is between 0.65 and 0.7 in the circuit according to FIG. 1; with a circuit with a = 45 approximately between 0.85-0.9.
There are then various circuits have become known to ver smaller the angle a. Arrangements with rotating order formers are expensive and often complicated, they require special maintenance and also have the disadvantage that the braking can start seriously after the start. Static capacitors have also been used with success; but for the time being their price stands in the way of further dissemination.
A switching arrangement has also become known, which is shown in FIG. There, an ohmic resistor R is connected in parallel to the field winding and a choke coil L is connected in series to both, which is connected to the secondary voltage ER "of the exciter transformer. Otherwise, the arrangement and the designations are the same as in the circuit of FIG.
From the vector diagram of FIG. 4 it can be seen that the angle α between the field current Jr and the transformer EMF (ET) is smaller than in the case of the circuit; according to Fig. 1. The angle a was assumed to be about 60 men.
The Bretnsd: Rosselspule D is correspondingly smaller, as is the phase shift between the field current Jr and the armature current <I> YES. </I> The power of the brake choke coil <I> D </I> is still 1.16 times the recovered power .
The power factor cos P between the armature current <B> JA </B> and the armature MIK (EA) has been improved to 0.86. whereas the power factor cos q: at the secondary terminals of the transformer T remains roughly the same as in the circuit of FIG. 1, namely 0; 66.
The means necessary for this improvement run are a choke coil L, the capacity of which is 0.-96 times, and a resistance, the capacity of which is 0.15 times the capacity recovered. A further reduction in the angle a would increase the resources required for this disproportionately, because the j @ Tinkel enclosed by the current vectors JR and JI becomes smaller, as a result of which these currents grow rapidly.
Therefore the arrangement remains naab Fiib. 3 is limited in its applicability and is unsuitable for a radical improvement in performance factors.
According to the invention, a larger reduction of the angle a can be achieved with lower means if a winding is connected in series with the ohmic resistor connected in parallel to the field, the 'N # @ Tindunben of which the flow of the brake choke coil flows through. Such an arrangement is shown in FIG. 5, for example.
The additional Wick development on the brake choke coil D is labeled TT 'and connected in series with the resistor R; both are connected in parallel to the Feldwick development I '. The remaining designations are the same as in Fig. 1 and From the associated vector diagram Fig. 6, the effect of the winding W is visible.
The EMF (Ew) of this winding is in phase with the EMF (ED) of the brake choke coil D. By inserting this EMF, the EMF (ER) of the ohmic resistance R is reduced and at the same time turned off counterclockwise.
The current JR flowing in the resistance R now no longer runs perpendicular to the field current JF as in the diagram in FIG. 4, but includes a significantly smaller angle with the field current JF. As a result, the current triangle consisting of JF, JR and JL is significantly reduced compared to that of FIG. The resistance R respectively. in, the choke coil L currents flowing are much smaller than in the known Schaltanord voltages.
This results in the possibility of achieving a comprehensive improvement in the performance factors and a reduction in the size of the brake choke coil with relatively little resources.
The power of the brake choke coil D, including the additional winding W, is only 0.93 times the recovered power. The L, iGtungsfah-tor cos #U between, the armature current JA and the armature EMF (EA) has risen to 0.92.
At the same time, the power factor cos <p at the secondary terminals of the transformer reaches a value of 0.85. The means necessary for this improvement are a choke coil L, the power of which is 0.13 times, and an ohmic resistor, the power of which is 0.07 times the recovered power.
The advantages over the known circuits result from the comparison of the corresponding numbers. An improvement in the field current phase of .15 is achieved in this arrangement with half the means with which an improvement of only 30 is achieved in the known arrangement. Another advantage can be used in certain cases when the brake. the choke coil and the field winding are connected to any common terminal,
so that .the additional winding W and the inductor D can have a common terminal. The additional winding can be omitted entirely if the resistor P is connected to a tap on the brake coil coil D.
Such an exemplary embodiment of this subject matter of the invention is shown in Fi.g. 7 shown. Here you can see the additional winding W of FIG. 5 with the winding D #! think united while. the winding Dl represents the remaining part of the choke coil.
The diagram in FIG. 6 shows that the current in the winding DZ is equal to the vector sum of JA and Jw. Since both currents are almost in opposition, the resulting current flowing through winding D2 is significantly smaller than that in winding D2. Not only can the special winding W be omitted,
but the corresponding part D2 of the brake throttle coil can be designed to be even smaller. Taking advantage of this advantage, the inductor output is only 0.73 times the recovered output.