.Anordnung zur Nutzbremsung elektrischer Weehselstromfahrzenge. Es sind Nutzbremsschaltungen für Wechselstromfahrzeuge bekannt, bei wel chen zur Erzielung einer günstigen Phasen verschiebung des zurückgelieferten Stromes gegen die Netzspannung in Reihe mit der Feldwicklung des Triebmotors ein Konden sator geschaltet ist.
Solche Schaltungen ar beiten in der Nähe der Resonanz zwischen Feldwicklung und Kondensator. Es ist da her klar, dass die für die Erzeugung des Feldstromes erforderliche Spannung klein ist, denn sie hat nur den durch die Verluste verursachten, sspannungsabfall zu überwin den. Die Speisung des Feldkreises erfolgt deshalb durch einen besonderen Erreger transformator, welcher oberspannungsseitig an den Haupttransformator des Fahrzeuges angeschlossen ist.
Ist ein elastischer Bremsbetrieb er wünscht, d. h. will man verhindern, dass bei geringer Geschwindigkeitsänderung grosse Strom- und Drehmomentsänderungen auf treten, so ist eine Kompoundierung notwen- dig. Eine solche wird erreicht durch einen sogenannten Verbundwiderstand, der sowohl vom Feld- als auch vom Ankerstrom durch flossen wird. Nimmt der Ankerstrom zu, so wächst der Spannungsabfall in diesem Widerstand und damit im Feldkreis, so dass infolge der nun kleineren treibenden Span nung der Feldstrom abnimmt.
Hierdurch werden Stromstösse beim Überschalten auf eine andere Umspannerstufe oder bei Ände rung der Fahrdrahtspannung vermieden.
Es hat sich nun gezeigt, dass sich der praktischen Verwirklichung derartiger Schal tungen grosse Schwierigkeiten entgegenstel len, welche hauptsächlich darauf zurückzu führen sind, dass sich der induktive und ohmsche Widerstand des Feldkreises in Be trieb ändern. Da es sich nun um eine Reso nanzschaltung handelt, verlangt jede Ände rung der Reaktanz eine Änderung der Phasenlage des Feldstromes.
Arbeitet man im gesättigten Teil der 14Taonetisierungs- kennnlinien, was aus Gründen der Motor- ausnützung oft. zwecl,:mässig ist, so sind auch Widerstandsänderungen des Feldkreises von Einfluss auf die Phasenlage des Feldstromes. Jede Veränderung dieser Phasenlage verur sacht aber auch eine Änderung des Winkels zwischen Anker-E11IK und Netzspannung und damit zwischen Feld- und Ankerstrom. Höchstes Bremsmoment wird aber nur dann erzielt, wenn diese beiden Ströme in Phase sind.
Das Bremsmoment ist. also starken Schwankungen unterworfen. Diese schädli chen Veränderungen im Feldkreis werden nun vor allem durch Schwankungen der I\Tetzfrequenz verursacht. Frequenzschwan- kungen sind in Bahnnetzen durchaus üblich. da. die Speisung der Netze von bahneigenen Werken erfolgt und die Maschinenregelung den starken Belastungsschwankungen nicht immer schnell genug zu folgen vermag.
Eine Vergrösserung der Netzfrequenz hat bei- spiels,v#,eise eine Erhöhung der Feldspannung und eine Verkleinerung der Kondensator spa.nnung zur Folge. Da die ohmsche Kom ponente im Verhältnis zu diesen beiden Spannungen klein ist, rufen schon kleine Frequenzschwankungen grosse Änderungen in der Phasenlage des Feldstromes hervor. Ferner sind Schwankungen der Fahrdralit- spannung von Bedeutung, wenn man im ge sättigten Teil der Magnetisierungskenn- linien arbeitet.
Dann sinkt beispielsweise bei steigender Spannung der induktive Wider stand des Feldes. Der kapazitive Widerstand behält dagegen seinen Wert bei. Es ergeben sich also die gleichen Wirkungen wie bei Änderung der Netzfrequenz. Veränderungen ,des induktiven Widerstandes des Feldkrei ses können auch dadurch verursacht sein, dass sich der Einlaufzustand der Bürsten ändert. In den durch die Bürsten kurzge schlossenen Windungen des Ankers fliessen unter dem Einfluss des Erregerfeldes Ströme, welche eine erhöhte Stromaufnahme im Feld kreis zur Folge haben. Damit, ist aber eine Abnahme des induktiven Widerstandes der Feldwicklung verbunden.
Diese Kurzscbluss- ströme ändern sich nun, je nachdem, ob die Bürsten voll eingeschliffen sind oder nur an einer Kante aufliegen. Gleichzeitig ändert sich auch die Einstellung der neutralen Zone, so dass das Ankerfeld eine Kompo nente in oder entgegen der Richtung des Erregerfeldes bekommt, wodurch ebenfalls Änderungen des induktiven Widerstandes der Feldwicklung entstehen.
Am unange nehmsten macht sich diese Erscheinunti bei Umkehr der Drehrichtung bemerkbar, denn dann kippen die Bürsten und liegen zunächst nur an einer Kante auf. Die Verschiebung der neutralen Zone ist dann ain grössten. Von grossem Einfluss sind ausserdem die Kurz schussströme in. den kurzgeschlossenen Win dungen des Ankers auf die im Feldkreis auftretenden Verluste und damit auf den scheinbaren ohmsehen Widerstand des Feld kreises. Dieser Widerstand ist, wie im fol genden bewiesen erden soll, in starkem Masse abhängig von der Drehzahl und dem Ankerstrom.
Im Leerlauf ist er bei auf liegenden Bürsten ein Vielfaches desjenigen Wertes, welcher sich bei abgehobenen Bür sten ergibt. Bei Belastun - werden nun diese Kurzschlussströme dadurch ganz oder teil weise unterdrückt, dass unter dem Einfluss des Wendefeldes in den kurzgeschlossenen Windungen durch die Umdrehung eine EMK induziert wird, welche der vom Felde her transformatorisch induzierten EMK ent- gegengerichtel ist.
Die Grösse dieser EMK der Drehung ist, abhängig von der Geschwin digkeit und von der Grösse des Ankerstrome. Im Bremsbetrieb wird deshalb in Reihe mit den Wendepolen ein ohmscher Widerstand und parallel zu dieser Reihenschaltung eine Drosselspule geschaltet. Dadurch erhält der Wendepolstrom eine Voreilung gegen der.
Ankerstrom. und das Wendefeld hat zwei Komponenten, von denen die eine die soge- nannte Gleichstrom-Kommutierung bewirkt und die andere die EMK der Transformation je nach Ankerstrom und Drehzahl ganz oder teilweise aufhebt. Die Folge davon ist natür lich eine beträchtliche Veränderung des scheinbaren ohmschen Widerstandes des Feldkreises, und zwar nimmt dieser mit steigendem Ankerstrom und steiender Dreh- C, zahl ab.
Um diese Veränderlichkeit darzu legen, ist in Fig. 2 ein Ersatzschaltbild der Fig. 1 und in F'ig. 3-5 sind die zugehörigen Vektordiagramme des Feldkreises darge stellt, wobei alle Widerstände und Reaktan- zen auf die am Feldkreis liegende Spannung tT, bezogen sind.
In den Fig. 2-5 bedeutet: U" - Spannung am Feldkreis (konstant) X,. - kapazitiver Widerstand X± = induktiver Widerstand des Feld kreises rf = der mit Gleichstrom gemessene ohmsche Widerstand der Feldwick lung f" = ohmscher Ersatzwiderstand für die Eisenverluste rk = der auf die Windungszahl der Feldwicklung bezogene ohmsche Widerstand der durch die Bürsten kurzgeschlossenen Windungen des Ankers (einschliesslich des Bürsten
übergangswiderstandes) J,@,, = Magnetisierungskomponente des Feldstromes Jfe = Eisenverlustkomponente des Feld stromes Jk = Stromkomponente zu rk.
Zur näheren Erläuterung sei noch betont, dass (umgerechnet) die transformatorisch in den kurzgeschlossenen Windungen des Ankers induzierte Spannung der am induk tiven -Widerstand des Feldkreises X± auf tretenden Spannung entspricht.
Fig. 3 zeigt das Vektordiagramm des Resonanzkreises für den Fall, dass der Kurzschlussstrom einen bestimmten Wert il; erreicht, was dann der Fall ist, wenn die EMK der Transformation durch das Wende feld nicht oder nur teilweise kompensiert ist.
Der Feldstrom Jf setzt sich nun zusam men aus dem ivlagnetisierungsstrom Jc,,, dein Eisenverluststrom Jf" und dem auf die Win- dungszahl der Feldwicklung bezogenen Kurz- sehlussstrom in den Ankerwicklungen. Der '-NIagmetisierungsstrom JI,, eilt somit dem Feldstrom Jf um den Winkel a nach.
Im Diagramm ist der Einfachheit halber ange- nommen, dass der Resonanzkreis so abge stimmt ist, dass Jf in Phase mit der treiben den Spannung U" liegt. Letztere setzt sich zusammen aus der den ohmschen Spannungs abfall der Feldwicklung darstellenden Kom- ponente Jf <I>.</I> rf, der gegen J[. um 90 vor eilenden Spannungskomponente J .
Xf und der gegen Jf -um<B>90'</B> nacheilenden kapaziti- ven Spannungskomponente if . X, Um nun eindeutig zu beweisen, dass mit kleiner wer dendem Kurzschlussstrom Jk der scheinbare ohmsche Widerstand des Feldkreises ab nimmt, d. h. der Feldstrom anwachsen muss, ist zunächst im Diagramm nach Fig. 4 ein Feldstrom J, gleicher Grösse angenommen wie in Fig. 2.
Ausserdem ist angenommen, dass die EIIK der Transformation unter dem Einfluss des Wendefeldes restlos aufgehoben sei, d. h. dass kein Kurzsehlussstrom in :den durch die Bürsten kurzbeschlossenen Win dungen des Ankers fliessen kann. Jlk ist also hier restlos verschwunden. Der Magnetisie- rungsstrom .7@,, eilt nunmehr nur noch um den wesentlich kleineren Winkel ss gegen Jf nach.
Zeichnet man nun das Spannungsdia gramm Fig. 4 unter den gleichen Voraus setzungen auf wie in Fig. 3, so findet man jetzt einen bedeutend grösseren Wert für den durch den Feldstrom if hervorgerufenen ohmschen Spannungsabfall Jf <I>.</I> rf in der Feldwicklung. Da sich aber an dem mit Gleichstrom gemessenen rein ohmschen Widerstand der Feldwicklung nichts ge ändert haben kann., müssen notwendiger- weise nunmehr der Feldstrom und seine Komponenten,
wie auch die kapazitive und induktive Spannung grösser geworden sein. Da aber an der treibenden Spannung LT" nichts geändert wurde, muss jetzt der schein bare ohmsch.e Widerstand des Feldkreises gegenüber dem Zustand nach Fig. 3 kleiner geworden sein.
In Fig. 5 ist dann der sich tatsächlich einstellende Zustand wiedergegeben. Abge sehen davon, dass solche Widerstandsänderun- gen beim Arbeiten im gesättigten Teil der Feldkennlinien Änderungen der Phasenlage des Feldstromes zur Folge haben, ergibt sieh noch der grosse Nachteil, dass die Wirkung des Verbundwiderstandes ganz oder teilweise durch diese Erscheinung wieder aufgehoben wird.
Man muss also, um noch geniigende Verbundwirkung zu erreichen, den Wider stand beträchtlich grösser machen, als wenn der scheinbare ohmsche )Viderstand des Feld kreises gleichbleibend wäre. Die nutzlos ver geudete Bremsenergie steigt somit stark an, und der Wirkungsgrad der Bremsung wird schlecht.
Man hat nun versucht, alle erwähnten schädlichen Einflüsse dadurch zu mildern, dass man grosse Widerstände sowohl vor den Anker als auch vor die Feldwicklung ge schaltet hat, was natürlich, wenn eine be stimmte Verbundwirkung erzielt werden soll, auch einen grossen Verbundwiderstand ergibt. Der Wirkungsrad solcher Schaltun gen ist daher ausserordentlich schlecht, und von einer eigentlichen Nutzbremsung kann kaum gesprochen werden.
Diese Mängel der bekannten Anordnung werden nach der Erfindung dadurch vermie den, dass der im Feldkreis des Fahrmotor liegende Kondensator in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung zwischen Anker und Feldstrom .selbsttätig geregelt wird und die Wendepole des Fahrmotors von einer zu sätzlichen Wicklung des zur Speisung des Feldkreises dienenden Erregertransformalors unter Vorschaltung einer Induktivität erregt werden.
Die zusätzliche Erregung der Wende pole vom Erregertransformator aus bezweckl, dass schon im Leerlauf und bei kleinen Anker strömen Kurzschlussströme in den von den Bürsten kurzgeschlossenen Windungen zum mindesten teilweise unterdrückt werden. Der scheinbare ohmsche Widerstand des Feld kreises ist also schon im Leerlauf und bei kleinen Ankerströmen verhältnismässig nied rig, weshalb mit wachsendem Ankerstrom keine so starke Abnahme des genannten Feldwiderstandes mehr eintreten wird.
Durch die automatische Nachregelung des Konden- sators wird ferner erreicht, dass trotz des durch die Schaltung der Wendepole stark herabgesetzten ,cheinbaren ohmschen @Vider- standes keine wesentlichen Schwankungen des Ankerstromes und des Bremsmomentes eintreten.
Würde man aber die Kondensato- renregelung nur allein anwenden, so wäre ein erheblich grösserer Verbundwiderstand erfor derlich, um die durch die übliche Wendepol schaltung bewirkte Abnahme des schein baren ohmschen Widerstandes des Feldkrei ses bei zunehmender Belastung wieder wett zumachen. Die Regelung des Kondensators kann beispielsweise durch ein auf Netzspan nung und Ankerstrom ansprechendes watt metrisches Relais in Verbindung mit einem Servomotor erfolgen.
Einfacher geschieht die Regelung jedoch in an sich bekannter Weise mittels eines Zweiphasen-Asynchronmotors, dessen eine Wicklung vom Ankerstrom und dessen andere Wicklung vom Feldstrom des Fahrmotors gespeist wird.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausfüh- rungsbeispiel bedeutet a den Haupttransfor mator des Fahrzeuges,<I>b</I> den Anker und<I>f</I> das Feld des Triebmotors. Letzteres wird durch den kleinen Erregertransformator d fremderregt, und ist mit. dem regelbaren Kon densator c und dein Verbundwiderstand r in Reihe geschaltet. Der Erregertransformator d ist primärseitig an die Spannung U" des Haupttransformators angeschlossen.
Der Ankerkreis wird gebildet aus dem Anker b, der Wendepolwicklung g und dem Veround- widerstand i-, und liegt an der Spannung U des Haupttransformators. Der zur Regelung des Kondensators dienende Zweiphasen-Asyn- ehronmotor le besitzt zwei \Wicklungen z und <I>1,</I> von denen die Wicklung<I>i</I> im Ankerstrom kreis und die Wicklung 1 im Feldkreis liegt. Der Verlauf von Ankerstrom J, und Feld strom Jg ist durch Pfeile in der Zeichnung kenntlich gemacht.
Der Erregertransformator <I>d</I> besitzt eine dritte Wicklung<I>in,</I> welche die Wendepole g unter Vorschaltung einer Dros selspule ia unabhängig vom Ankerstrom er regt. Die Drosselspule n hat den Zweck, eine gegenseitige Beeinflussung der vom Anker strom hervorgerufenen und der durch die zu- säztliche Erregung erzeugten Wendepolfel- der zu verhindern. Durch Erhöhung der Streuung der Zusatzwicklung m des Er regertransformators kann man die Abmes sungen der Drosselspule n vor der Wende polwicklung verkleinern.
Es ist zwar eine Wendepolschaltung bei Einphasen - Wechselstrom - Kollektormotoren bekannt geworden, bei welcher zum Zwecke guter Kommutierung die Wendepole von einem hierfür besonders erforderlichen Trans formator unter Vorschaltung einer Drossel spule erregt werden. Man hat aber nicht die ausserordentlichen Vorteile wahrgenommen, welche sich bei der Wechselstrom-Nutzbrem- sung mit Kondensator im Feldkreis ergeben, wenn man für diese Erregung den an sich schon vorhandenen Erregertransformator verwendet.
Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen demnach vor allem darin, dass die Zahl und Grösse der in der Nutz bremsschaltung erforderlichen zusätzlichen Widerstände auf ein Mindestmass beschränkt wird. Selbst der an .sich nötige Verbund widerstand wird wesentlich kleiner, und da mit wird die nutzlos vergeudete Brems energie ganz wesentlich herabgesetzt. Es wird auch die zur Erzeugung eines bestimm ten Feldstromes benötigte Spannung be trächtlich vermindert, was einer Verkleine rung der Erregerleistung und damit des Er regertransformators gleichkommt.
Nebst dem kann ein besonderer Transformator für die Erregung der Wendepole weggelassen wer den, und es fallen die Verluste fort, die in dem den Wendepolen in der üblichen Schal tung vorgeschalteten Widerstand entstehen. Diese Verluste sind ziemlich gross, da ein verhältnismässig grosser Widerstand nötig ist, um eine Vo.reilung des Wendepolstromes gegenüber dem Ankerstrom zu erzielen. Fer ner ist der Wirkungsgrad der Nutzbremsung durch die erfindungsgemässe Schaltung ganz erheblich verbessert und die jährlich zurück gewonnene gilowattstundenzahl damit ver grössert.
Selbst die Kommutierung ist im ganzen Bremsbereich und sogar im Leerlauf als sehr günstig anzusprechen.