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Elektrisches Triebfahrzeug Man kann elektrische Triebfahrzeuge, also
insbesondere elektrische Lokomotiven, von der Fahrleitung aus mit Wechselstrom speisen,
auf dem Fahrzeug selbst jedoch Gleichrichter anordnen, die den Fahrmotoren Gleichstrom
zuführen. Zur Regelung dieser Gleichspannung kann den Gleichrichtern ein Regeltransformator
vorgeschaltet sein, der von der Fahrleitung gespeist wird. Solche Gleichrichterlokomotiven
weisen jedoch noch erhebliche Nachteile auf. Sieht man keine Glättungseinrichtungen
für den von den Gleichrichtern den Fahrmotoren zugeführten Strom vor, so wird dadurch
die Kommutierung der Gleichstrom fahrmotoren sehr ungünstig beeinflußt, da an den
kommutierenden Spulen eine transformatorische Spannung mit der doppelten Frequenz
der Fahrleitungsspannung auftritt. Aber auch bei Glättung des von den Gleichrichtern
abgegebenen Stromes, z. B. durch Einschaltung von Drosselspulen, zeigt sich der
Übelstand, daß nunmehr die Gleichrichter aus der Fahrleitung einen Wechselstrom
mit rechteckiger Stromkurve beziehen, der also den Betrieb der Fahrleitung sehr
störende Oberwellen und Blindströme enthält. Die geschilderten Nachteile lassen
sind zwar vermeiden, wenn man auf der Lokomotive einen aus einem Einphasensynchromnotor
und einem Gleichstromgenerator bestehenden Umformer aufstellt, der die Fahrmotoren
speist. Indessen wird ein solcher Umformersatz sehr schwer und mit Rücksicht auf
die Größe des Gleichstromgenerators auch teuer.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Triebfahrzeug, das
von der Fahrleitung mit Einphasenwechselstrom gespeist wird, während die Fahrmotoren
über Gleichrichter mit Gleichstrom gespeist werden, bei dem die geschilderten Nachteile
nach der Erfindung dadurch vermieden sind, daß auf dem Fahrzeug ein von der Fahrleitung
gespeister Umformer vorgesehen ist, in dem in e i n e r Maschine mit Hilfe überlagerter
Erregerfelder zwei Spannungen verschiedener Frequenz erzeugt werden und dessen die
höhere Frequenz und eine größere Phasenzahl aufweisende Spannung zur Speisung der
Gleichrichter dient. Solche aus e i n e r elektrischen Maschine bestehende Umformer
sind an sich bereits bekannt, ihre Verwendung auf elektrischen Triebfahrzeugen der
geschilderten Art bringt jedoch für den Betrieb des Fahrzeuges entscheidende Vorteile
mit sich. Während bei der als bekannt geschilderten Gleichrichterlokomotive der
Stromkreis der Fahrmotoren mit dem Stromkreis der Fahrleitung nach wie vor gekoppelt
ist, da die Gleichrichter ja nur Schaltapparate darstellen und durch diese Kopplung
die geschilderten Nachteile verursacht werden, sind bei der Anordnung nach der Erfindung
die beiden genannten Stromkreise voneinander entkoppelt, so daß Oberwellen und Blindströme,
die zwischen dem Umformer und den Gleichrichtern auftreten, nicht mehr auf den Fahrdraht
zurückwirken. Diese Entkopplung bringt den weiteren Vorteil mit sich, daß sekundäre
Kurzschlüsse, also z. B. Rückzündungen in den Gleichrichtern oder auch Kurzschlüsse
an den Fahrmotoren, von der Fahrleitung ferngehalten werden. Dadurch, daß die Sekundärspannung
des Umformers eine höhere Frequenz und eine größere Phasenzahl aufweist als die
Primärspannung, wird ferner bewirkt, daß die von den Gleichrichtern abgegebene Gleichspannung
nur noch geringe Welligkeit aufweist, die infolge der hohen Frequenz außerdem mit
geringem Aufwand an Glättungsmitteln (Kondensatoren oder Drosselspulen) zu beheben
ist. Da die vom Umformer abgegebene Spannung außerdem mit Hilfe des zugeordneten
Gleichstromerregerfeldes in weitem Umfang geregelt werden kann, so bietet der Umformer
gleichzeitig einen Ersatz für den sonst erforderlichen Regeltransformator, wobei
die Regelung am Umformer wesentlich einfacher und feinstufiger zu erzielen ist als
an einem Regeltransformator mit Stufenschaltern. Der Umformer bietet also praktisch
dieselben Vorteile wie der angegebene Motorgenerator mit Einphasensynchronmotor
und Gleichstromgenerator, wobei aber sein Gewicht und der Kostenaufwand für ihn
wesentlich geringer sind, da nur eine Maschine, die außerdem eine Wechselstrommaschine
ist, vorhanden ist.
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Der Umformer kann in an sich bekannter Weise so ausgeführt sein, daß
auf seinem Ständer als Wechselstromwicklung und auf seinem Läufer als Gleichstrom-.
erregerwicklung je zwei Wicklungen untergebracht sind, die sich gegenseitig nicht
störend beeinflussen, deren Polzahlen sich also wie 1:2:4...: 2n verhalten, wobei
die eine Wechselstromwicklung an die Fahrleitung angeschlossen ist, während die
zweite, die eine höhere Frequenz aufweist, z. B. als Drehstromwicklung ausgeführt
ist und über die Gleichrichter die
Fahrmotoren speist. Dabei kann
über die Erregerfelder die Spannung der Sekundärwicklung unabhängig von der Fahrleitungsspannung
geregelt werden. Zur Verhinderung einer störenden gegenseitigen Beeinflussung der
beiden Wicklungssysteme wird man die höherpolige Drehstromwicklung als Wellenwicklung
ausführen, so daß für die beiden Ständerwicklungen die Wicklungsfaktoren für das
anderspolige Feld jeweils Null sind. Da die Ständerwicklungen elektrisch voneinander
getrennt sind, kann man ferner die an die Fahrleitung angeschlossene Wicklung für
Fahrleitungsspannung ohne Zwischenschaltung eines Transformators ausführen, während
die die Fahrmotoren über die Gleichrichter speisende Umformerwicklung eine Niederspannungswicklung
ist.
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Bei einer anderen ebenfalls bekannten Ausführungsform eines solchen
Umformers stehen die beiden Wicklungssysteme im Polzahl- bzw. Frequenzverhältnis
1:3, indem etwa der Umformer zur Umformung von SOperiodigem Drehstrom in 16'-/speriodigen,
eine Fahrleitung speisenden Einphasenstrom dient. Der Ständer des Umformers weist
dabei eine 6 n-polige Wicklung für den 50periodigen und eine 2 it-polige Wicklung
für den 162/speriodigen Wechselstrom auf.
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Ferner sind 6 n mit Gleichstrom erregte Feldpole vorgesehen, und diese
Feldpole sind in zwei Gruppen unterteilt, deren Gleichstromerregungen für die gesonderte
Beeinflussung des 6 ra- und des 2 n-poligen Erregerfeldes auch gesondert
regelbar sind. Die Anordnung kann - wie bereits vorgeschlagen wurde -dabei so sein,
daß für die Herstellung des 6 1a-poligen und des 2n-poligen Erregerfeldes und für
za= 1 in zyklischer Aufeinanderfolge der erste, der dritte, der vierte und der sechste
Erregerpol die eine und der zweite und der fünfte Erregerpol die zweite gesondert
regelbare Gruppe von Erregerpolen bilden. Bei einer solchen Anordnung ist man nicht
darauf angewiesen, im Ständer zwei elektrisch voneinander getrennte Wechselstromwicklungen
anzuordnen. Man kann -wie an sich ebenfalls bekannt - im Ständer auch nur eine Wicklung
vorsehen, die einerseits an niederperiodigen Einphasenstrom, andererseits an Drehstrom
3facher Frequenz angeschlossen ist. Eine störende gegenseitige Beeinflussung der
verschiedenfrequenten Ströme in dem gemeinsamen Wicklungssystem ist durch die besondere
Ausbildung dieses Systems verhindert. Da bei dieser gemeinsamen Ständerwicklung
die verschiedenperiodigen Spannungen voneinander nicht mehr elektrisch getrennt
sind und in der Größe nicht allzu stark voneinander abweichen, wird man bei der
hier vorgeschlagenen Verwendung eines solchen Umformers für elektrische Triebfahrzeuge
zwischen dem Umformer und der Fahrleitung einen Transformator einschalten, damit
den Gleichrichtern und den Fahrmotoren eine entsprechende Niederspannung zugeführt
werden kann. Dieser Transformator braucht aber kein Regeltransformator zu sein;
sein Platzbedarf und seine Kosten sind also gering.
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Im folgenden sei die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt zunächst die Ausbildung der Erregerpole am Umformer,
wenn das Frequenzverhältnis 1:3 beträgt. Fig.2 zeigt an den rechteckigen Kurven
den Verlauf der Erregeramperewindungen BL 1 und BL 2 im Luftspalt des Polrades der
Fig. 1, während die beiden Sinuskurven den von Oberwellen befreiten Verlauf der
Induktion im Luftspalt einerseits für das 2polige Feld, andererseits für das 6polige
Feld veranschaulichen. Man sieht, daß die beiden verschiedenpoligen Erregerfelder
durch das Zusammenwirken der auf den einzelnen Polen 1' bis 6' untergebrachten Gleichstromerregungen
zustande kommen, wobei die Gleichstromerregeramperewindungen für die Pole 1' und
3' bzw. 4' und 6' die Größe BL, der Fig. 2 aufweisen, während diese Erregeramperewindungen
für die Pole 2' und 5' die Größe BL 2 besitzen. Durch Änderung des gegenseitigen
Größenverhältnisses dieser beiden Gruppen von Erregeramperewindungen kann dann die
vom höherpoligen Wicklungssystem des Umformers abgegebene Spannung geregelt werden.
In dem Diagramm der Fig. 3 ist diese Regelung an Hand von Kurven veranschaulicht.
Die Abszisse des Diagramms stellt das Verhältnis der beiden Erregeramperewindungen
BL2: BL 1 dar, während die Gerade 17 den Anstieg der Luftspaltinduktion B1
und damit der Spannung an dem niederperiodigen Wicklungssystem veranschaulicht,
wobei angenommen ist, daß die Erregeramperewindungen BL, an den Polen 1', 3', 4'
und 6' kc:nstant bleiben, während sich die Erregeramperewindungen BL 2 an den Polen
2' und 5' ändern. Die mit ansteigender Abszisse abfallende Gerade 18 zeigt die Änderung
wer Luftspaltinduktio,n B3 und damit der Spannung des höherperiodigenWicklungssystems.
MansiehtausFig.3, daß bei zunächst konstant angenommenen Erregeramperewindungen
BLl die höherperiodige Spannung entsprechend der Luftspaltinduktion B3 mit der Verminderung
der Erregeramperewindungen BL2 ansteigt, wobei allerdings die nie.derperiodige Spannung
entsprechend der Luftspaltinduktion B1 gemäß der Geraden 17 abfällt. Man kann diese
Verminderung der Spannung entsprechend der Luftspaltinduktion B1 unterdrücken, wenn
man mit der Verminderung der Erregeramperewindungen BL2 die Erregeramperewindungen
BL1 vergrößert. Die Spannung entsprechend der Luftspaltinduktion B, wird dann in
dem Diagramm nach links steiler als die Gerade 18 ansteigen, während die Spannung
entsprechend der Luftspaltinduktion Bi nach links weniger stark als die Gerade 17
abfällt bzw. konstant bleibt. Es läßt sich also durch die Regelung der Erregeramperewindungen
für die Pole 2' und 5' (gegebenenfalls in Verbindung mit der Regelung der Erregerainperewindungen
für die Pole 1', 3', 4' und 6') die abgegebene Drehstromspannung weitgehend regeln.
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Insbesondere bei der Ausbildung des Umformers gemäß den Fig. 1 und
2 erweist es sich als zweckmäßig, zur Abdämpfung des gegenläufigen Durchflutungssystems
des Einphasenteiles des Umformers auf den Erregerpolen in den Nuten 12 eine kräftige
Dämpf erwicklung vorzusehen. Sieht man außerdem im Ständer noch eine Hilfsphasenwicklung
für das Einphasensystem vor, so kann man damit auch den Umformer anlassen, wobei
der Dämpferkäfig als Anlaufkäfig wirkt.
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Die von dem Umformer mehrphasig gespeisten Gleichrichter können in
an sich bekannter Weise ausgebildet sein. Man kann also insbesondere Gefäßgleichrichter
oder Trockengleichrichter vorsehen. Die Gefäßgleichrichter können ein- oder inehranodige
Stromrichter sein, wobei die Einanodengefäße, die den Vorzug haben, daß sie in beliebiger
Mehrphasenschaltung miteinander vereinigt werden können, entweder Einanodengefäße
mit oder ohne Gittersteuerung sein können, oder Ignitrons, bei denen der Zündeinsatz
durch eine Tauchelektrode gesteuert wird. Als Trockengleichrichter kommen insbesondere
Selengleichrichter, aber auch Germanium- oder Siliziumgleichrichter in Betracht.
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Fig. 4 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für ein elektrisches
Triebfahrzeug nach der Erfindung. 1 und 2 sind die als Gleichstromreihenschlußmotoren
ausgebildeten
Fahrmotoren eines Triebfahrzeuges, alsoz. B. einer
elektrischen Lokomotive. Sie werden von dem Umformer 3 über die Gleichrichtergruppe
4 gespeist. Hierzu ist das sekundäre Wicklungssystem 5 des Umformers 3 sechsphasig
ausgebildet, wobei die unteren Enden der sechs Phasen zu einem Sternpunkt vereinigt
sind, während die oberen Enden über je einen Gleichrichter an die obere Zuleitung
7 zu den Gleichstromfahrmotoren angeschlossen sind. 6 ist die Primärwicklung des
Umformers 3, 8 die zugehörige Erregerwicklung, während 9 die Erregerwicklung für
das sekundäre Wicklungssystem 5 darstellt. Der Umformer ist so ausgebildet, daß
seine Primärwicklung 6 von der Fahrleitung mit einer 50periodigen Spannung gespeist
wird, während sein sekundäres Wicklungssystem 5 eine Spannung mit der Frequenz von
150 Hz entwickelt. Der Umformer 3 kann also gemäß der Darstellung der Fig. 1 und
2 der Zeichnung durchgebildet sein. Mit Hilfe des Vorschaltwiderstandes 10 vor der
Erregerwicklung 9, die die Pole 2' und 5' (Fig. 1) erregt, kann vorwiegend die vom
Umformer 3 sekundär abgegebene Spannung in der Größe geregelt werden; mit Hilfe
des Vorschaltwiderstandes 11 vor der Erregerwicklung 8, die die Pole 1', 3', 4'
und 6' erregt, kann vorwiegend der vom Umformer 3 primär aus der Fahrleitung aufgenommene
oder an diese abgegebene Blindstrom und damit auch die Fahrdrahtspannung geregelt
werden.
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Wie bereits erwähnt, hat die Zwischenschaltung des Doppelfeldumformers
den wesentlichen Vorteil, daß man seine Sekundärspannung mit Hilfe einer Änderung
der Erregung stetig von Null bis zum Höchstwert steuern kann. Man kann also für
die benötigten Gleichrichter nichtsteuerbare Gleichrichter, also z. B. Trockengleichrichter,
benutzen. Verwendet man gittergesteuerte Stromrichter, so ergibt sich dabei der
Vorteil, daß man während des normalen Betriebes die Spannung an den Fahrmotoren
durch Änderung der Erregung des Doppelfeldumformers regelt, während der Stromrichter
im Gleichrichterbetrieb nur mit Vollaussteuerung arbeitet, da eine Regelung mit
Hilfe der Gittersteuerung bekanntlich den Nachteil hat, daß bei geringer Aussteuerung
die daran verursachten Blindströme und Oberwellen stören. Man kann aber die Gittersteuerung
vorteilhaft für eine Nutzbremsung des Triebfahrzeuges heranziehen. Für diese Nutzbremsung
wird der Stromrichter auf Wechselrichterbetrieb umgeschaltet, was durch Anlegen
einer entsprechenden Gittervorspannung bewirkt wird, so daß der Stromrichter den
Stromfluß während der negativen Halbwelle freigibt. Auch hier wird aber die Gittersteuerung
nur zur Herbeiführung des Wechselrichterbetriebes benutzt, während die Stromsteuerung,
also die Steuerung des Bremsstromes, wiederum durch Änderung der Erregung des Doppelfeldumformers
und nicht durch Verlegung des Zündzeitpunktes an der Gittersteuerung geregelt wird.
Beim Bremsbetrieb ist dazu ferner in an sich bekannter Weise ein Schnellumschalter
im Gleichstromteil vorzusehen, der stromlos bei Energierichtungswechsel die Gleichstromanschlüsse
umpolt.
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Der Doppelfeldumformer kann auch als synchroner Antriebsmotor für
den Generator zur Speisung der Hilfsantriebe auf dem Fahrzeug dienen. In vielen
Fällen wird es vorteilhaft sein, den Doppelfeldumformer auf dem Fahrzeug mit senkrechter
Welle anzuordnen, wodurch der Platzbedarf für den Umformer vermindert wird.