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Schaltungsanordnung zur Speisung von Gleichstromverbrauchern aus einer
Wechselstromquelle mit Umschalteinrichtungen zur Spannungsänderung unter Last Durch
die deutsche Patentschrift 587 059 ist eine Schaltung zur Spannungsregelung von
Gleichrichtern durch Stufentransformator bekanntgeworden, bei der eine Zweiweggleichrichtung
vorgenommen wird und bei der die Ausgangswicklung des Transformators eine Anzahl
von Spannungsabgriffen aufweist, die sich über diejenigen Wicklungsteile erstrecken,
deren Enden mit den Gleichrichtern verbunden sind, wobei eine Vorrichtung zur Abgriffumschaltung
unter Last vorgesehen ist. Bei dieser bekannten Schaltung ist die einzige Sekundärwicklung
des Transformators über ihre Mittelanzapfung mit dem negativen Pol des Verbrauchers
verbunden. Beidseitig dieser Mittelanzapfung sind in gleichmäßigen Abständen verteilte
Spannungsabgriffe vorgesehen, die symmetrisch zueinander angeordnet sind und jeweils
eine Halbwelle liefern. Um die rechts und links von der Mittelanzapfung abgegriffenen
Spannungen bei dieser bekannten Schaltung dem Betrag nach gleichhalten zu können,
wenn die Anzahl der Abgriffe von den äußeren Enden rechts und links verschieden
ist, ist beidseitig der Mittelanzapfung der Sekundärwicklung noch je ein weiterer
Abgriff vorgesehen. Durch Verschiebung des elektrischen Mittelpunktes der Sekundärwicklung
wird es hierbei möglich, zur Erhöhung oder Erniedrigung der Spannung jeweils nur
eine Stufe rechts oder links zuzuschalten. Die Zahl der Stufenschaltungen ist bei
der bekannten Schaltungsanordnung eindeutig durch die Anzahl der Abgriffe bestimmt.
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Ziel der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, bei
welcher bei einer gegebenen Zahl von Abgriffen die Zahl der Schaltstufen möglichst
groß wird und bei welcher in keiner Abgriffstellung Unsymmetrien in der gleichgerichteten
Spannung auftreten oder aber nur vorübergehend solche Unsymmetrien, welche nicht
störend ins Gewicht fallen.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Speisung
von Gleichstromverbrauchern aus einer Wechselstromquelle, welche einen Transformator
mit angezapfter Ausgangswicklung, eine Vorrichtung zur Abgriffumschaltung unter
Last und Einweggleichrichter enthält, die zwischen den äußeren Enden der Wicklung
und dem Verbraucher liegen, und zwar derart, daß eine Zweiweggleichrichtüng erzielt
wird. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die Anwendung folgender Merkmale: a)
Die Ausgangswicklung des Transformators ist in zwei elektrisch getrennte Wicklungen
aufgeteilt, von denen jede mit Abgriffen versehen ist, die nur im Bereich der äußeren
Hälfte jeder Wicklung liegen.
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b) Die Vorrichtung zur Abgriffumschaltung unter Last ist mit dem negativen
Pol des Verbrauchers verbunden.
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c) Es sind Umschalteinrichtungen vorgesehen, die jeden Einweggleichrichter
von dem äußeren elektrischen Ende der zugehörigen Teilwicklung des Transformatorausgangs
an das innere Ende der anderen Teilwicklung legen, wobei die Spannung am Verbraucher
von Null bis zu einem Maximalwert gesteigert werden kann, und zwar zunächst durch
Wahl der Abgriffe jeder Teilwicklung mit stufenweise steigender Spannung in bezug
auf deren äußere Enden, darauf durch Umschaltung der Ausgangswicklungen und Wahl
der Abgriffe in umgekehrter Reihenfolge wie vorher. Die Spannungserniedrigung von
einem Maximalwert bis auf Null erfolgt umgekehrt in analoger Weise.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung sind Blindwiderstände
zwischen den Endem der beiden Ausgangswicklungen des Transformators und den zugehörigen
Gleichrichtern angeordnet, wobei deren Widerstandswerte derart gewählt sind, daB
der Gleichspannungsabfall infolge des Laststromes wesentlich größer ist als der
Spannungsabfall infolge des Blindwiderstandes und des ohmschen Widerstandes des
Transformators allein. Dabei kann eine Hilfsschaltvorrichtung vorgesehen sein, die
während
des ersten Teils der Abgriffumschaltfolge zur Ausschaltung
dieser Blindwiderstände in einem oder mehreren Schritten dient.
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Die Blindwiderstände können derart geschaltet sein, daß sie zwangläufig
aus dem Stromkreis geschaltet, z. B. überbrückt «-erden, wenn Umschalter betätigt
«-erden, die jeden Gleichrichter mit dem inneren entgegengesetzten Ende der anderen
Wicklung verbinden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Vorrichtung
zur Abgriffumschaltung einen einzigen Spartransformator mit Mittelanzapfung aufweisen,
dessen Mittelanzapfung mit dem negativen Pol des Verbrauchers verbunden ist und
dessen eines Außenende gleichzeitig mit den ungeraden Abgriffen einer der Ausgangswicklungen
und den geraden Abgriffen der anderen Ausgangswicklung verbunden ist und dessen
anderes Ende gleichzeitig mit den geraden Abgriffen der erstgenannten Ausgangswicklung
und den ungeraden Abgriffen der zweitgenannten Ausgangswicklung verbunden ist, wobei
eine weitere Hilfsschaltvorrichtung zum Kurzschließen des Spartransformators bei
bestimmten Abgriffsteliungen vorgesehen ist.
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Die Abgriffumschaltvorrichtung kann einen besonderen Spartransformator
mit Mittelanzapfung für jede Wicklung aufweisen, wobei die Mittelanzapfungen der
Spartransformatoren miteinander verbunden sind und durch einen oder mehrere Blindwiderstände
mit dem negativen Pol des Verbrauchers und die Außenenden jedes Spartransformators
mit abwechselnden Abgriffen der zugehörigen Ausgangswicklung verbunden sind. Dabei
ist zweckmäßigerweise die Abgriffolge so gewählt, daß die Abgriffe an beiden Wicklungen
abwechselnd geändert werden, wobei eine weitere Hilfsschalteinrichtung zum Kurzschließen
jedes Spartransformators bei bestimmten -#bgriffstellungen vorgesehen ist.
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Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der Erfindung für die Steuerung
von Gleichstrom-Reihenschlußfahrmotoren eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs
bei Speisung aus einer Einphasenfahrleitung.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung. In
dieser zeigt Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild nach der Erfindung für eine elektrische
Lokomotive, Fig. 2 die Schalttabelle für die Einrichtung, Fig.3 ein vereinfachtes
Schaltbild einer anderen Ausführungsform der Erfindung und Fig. d die zugehörige
Schalttabelle.
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Gemäß Fig. 1 ist die eine Seite einer Primärwicklung 11 eines Haupttransformators
10 an Erde und die andere Seite mittels eines Stromabnehmergestells 13 an eine wechselstromführende
Oberleitung 12 geschaltet. Der Transformatör weist zwei Sekundärwicklungen auf,
die beide mit gleichartigen Spannungsabgriffen versehen sind, die zwischen dem äußeren
Ende und der Mitte jeder Wicklung angeordnet sind.
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Der Ausgangsstrom der beiden Sekundärwicklungen wird von zwei Grüppen
von Gleichrichtern RTi, RT, bzw. RT., RT4 gleichgerichtet-und zwei
Reihenschlußfahrmotoren 111, ,1T" zugeführt, die in Reihe im Belastungskreis liegen.
Die negative Rückleitung von den Motoren ist mit der Wicklungsmitte eines Spar transforrnators
16 verbunden. Die Außenenden dieses Transformators sind mit.-. Spannungswählkontakten
To bis T4 und TTo bis TT4 verbunden. Stromausgleichsdrosseln BR liegen in
jedem Gleichrichterkreis.
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Die Gleichrichter RT, und RT3 sind so geschaltet, daß sie mit Hilfe
von Kontakten S1 und J1 entweder mit dem äußeren Ende der Sekundärwicklung 14 oder
mit dem inneren Ende der Sekundärwicklung 15 verbunden werden können, wobei der
Stromkreis zum Außenende der Sekundärwicklung 14 über die Drosseln R1 und R2 geschlossen
wird. In gleicher Weise sind die Gleichrichter RT2 und RT4 so angeordnet, daß sie
mit Hilfe von Kontakten S2 und T2 entweder mit dem äußeren Ende der Sekundärwicklung
15 oder mit dem inneren Ende der Sekundärwicklung 14 verbunden werden können, wobei
der Stromkreis zum äußeren Ende der Sekundärwicklung 15 über die Drosseln R3 und
R4 geschlossen wird. Die Drosseln R1 und R3 sind durch die Kontakte Bi bzw. B2 und
der Spartransformator 16 durch einen Kontakt P überbrückt.
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Die Kontakte werden durch einen (nicht abgebildeten) Kontroller geschaltet
und sind so angeordnet, daß sie in der in der Schalttabelle nach Fig. 2 angegebenen
Schaltfolge betätigt werden.
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Wie aus der Tabelle zu entnehmen ist, sind in Schaltstellung 1 die
Kontakte To, T1, TTo und TTi, S1 und S2 .geschlossen und der in der Mitte
angezapfte Spartransformator 16 an den Teil TC T1 der Wicklung 14 und parallel dazu
an den Teil TT.- TTi der Wicklung 15 angeschlossen. Die den Gleichrichtern RTi,
RT2 usw. zugeführte tatsächliche Spannung je Phase ist daher die Hälfte der Spannung
an den zueinander parallel geschalteten Teilen TCTi und TTO- TTi.
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Wird der Kontroller in die Schaltstellung 2 gebracht, so werden zunächst
die Kontakte To und TTo geöffnet und dann der Kontakt P geschlossen. In Stellung
2 ist die Spannung Je Phase nun die des Teiles Tö T1. Durch Weiterbewegung des Kontrollers
in Schaltstellung 3 werden der Kontakt P geöffnet und darauf die Kontakte T2 und
TT2 geschlossen, wodurch der Spartransformator 16 an den Teil T,-T2 der Wicklung
14 und den dazu parallel liegenden Teil TTI-TT2 der Wicklung 15 geschaltet wird.
Die den Gleichrichtern in dieser Schaltstellung zugeführte tatsächliche Spannung
je Phase ist die des Teiles Tö T1 plus der halben Spannung des Teiles Ti-T..
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Diese Schaltstellung wird fortgesetzt, bis in der Schaltstellung 6
die Kontakte Bi und B2 geschlossen werden, wodurch die Drosseln R1 und R3 kurzgeschlossen
werden, und die gleichgerichtete Spannung an den Motoren M1 und !'V12 wegen der
Verringerung des Umschaltblindwiderstandes für die Gleichrichter RTi, RT2 usw. steigt.
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Die Folge der Abgriffumschaltungen setzt sich dann wie vorher fort,
bis in Schaltstellung 9 die Kontakte T4, TT4 und P geschlossen werden und die den
Gleichrichtern zugeführte Spannung je Phase nun die des Teiles To bis T4 der Wicklung
14, d. h. die halbe Spannung der Wicklung 14 ist.
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Wird der Kontroller in Schaltstellung 10 gebracht, so werden zunächst
die Kontakte J1 und I2 geschlossen und die Kontakte S1 und S2, Bi und B2 geöffnet,
wodurch die Gleichrichter RT. und RT 3 mit dem den Anzapfungen entgegengesetzten
Ende der Wicklung 15 verbunden und von der Wicklung 14 abgeschaltet werden. Ebenso
werden die Gleichrichter RT2 und RT4 mit der Wicklung 14 verbunden und von der Wicklung
15 abgeschaltet. Durch diese Umschaltung des Stromkreises wird die den Gleichrichtern
zugeführte -Spannung je Phase nicht geändert, jedoch
werden die
Drosseln R, und R,1 ausgeschaltet, wodurch die Gleiehrichterausgangsspannung steigt,
da der Umschaltblindwiderstand verringert wird.
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Durch eine weitere Bewegung des Kontrollers in Schaltstellung 11 «erden
nun der Kontakt P geöffnet und die Kontakte T3 und TT, geschlossen. Der Spartransformator
16 ist nun erregt, und die dem Gleichrichter zugeführte Spannung je Phase ist gleich
der halben Spannung der Wicklung 14 plus der halben Spannung des Teiles T4-7'...
Durch weitere Bewegurig in Schaltstellung 12 werden die Kontakte T4 und TT4
geöffnet und der Kontakt P geschlossen. Die Phasenspannung ist nun gleich der halben
Spannung der Wicklung 14 plus der Spannung des Teiles T4 T3.
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Die Folge der Abgriffumschaltungen wird nun im umgekehrten Sinne gegenüber
der ersten Hälfte des Schaltplanes fortgesetzt. bis in Schaltstellung 18 die Kontakte
P, To, TTo, 1j und T, geschlossen sind und damit die den Gleichrichtern
zugeführte Phasenspannung gleich der Gesamtspannung jeder Ausgangswicklung ist.
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Da der Spartransformator 16 den Wicklungen 14 und 15 gemeinsam ist,
ist es nicht möglich, einen Abgriff der Wicklung 14 gleichzeitig mit einem davon
verschiedenen Abgriff der Wicklung 15 zu verwenden. Daher wird immer symmetrisch
abgegriffen.
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Da der von den Fahrmotoren zurückfließende Gleichstrom in den Spartransformator
16 bei dessen Mittelanzapfung eintritt und sich bei allen laufenden Schaltstellungen
gleichmäßig in beide Zweige verteilt, kann der Spartransformator auch so gebaut
werden, daß eine Induktivität im Gleichstromkreis liegt, durch die der wellige Strom
zusätzlich geglättet wird. Es ist daher keine zusätzliche Glättungsdrossel abgebildet.
In einigen Fällen kann jedoch eine zusätzliche Gleichstromglättungsdros.sel zweckmäßig
sein.
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Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Zahl der erforderlichen
Schaltschritte bei nur zur Hälfte angezapften Sekundärwicklungen gleich der bei
den üblichen, vollständig angezapften Sekundärwicklungen erforderlich ist.
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Bei der oben beschriebenen Anordnung werden die Drosseln R1 und R3
von der Schaltstellung 6 .an aus dem Stromkreis ausgeschaltet. Sie können jedoch
dauernd im Stromkreis belassen werden oder, falls erforderlich, mehrmals während
der Bewegung des Kontrollers von Schaltstellung 1 in Stellung 18 ein-und ausgeschaltet
werden. Durch Einschalten der Drosseln wird die Strom-Drehzahl-Kennlinie der Motoren
steiler gemacht, wodurch eine bestimmte Feinheit der Steuerung bei weniger Transformatorabgriffen
erzielt wird.
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Die Drosseln. R, bis R4 können in einer oder mehreren Stufen ein-
und ausgeschaltet werden. In diesem Falle ist es vorteilhaft, sie so zu bemessen,
daß durch jedes Ausschalten ein normaler Steuerschritt erzielt wird, wodurch eine
abgriffändernde Schaltstellung gespart wird. Die Drosseln können einzeln den Gleichrichtern
zugeordnet «-erden. In diesem Falle wirken sie als Stromv erteilungs-Steuerdrosseln,
oder sie können, wie abgebildet, in den Transformatorleitungen liegen, durch die
mehrere Gleichrichter beliefert werden, wodurch ihr Ausschalten bei höheren Geschwindigkeiten
erleichtert wird.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 3, in der gleiche Teile mit gleichen
Bezugszeichen versehen sind, ist die negative Rückleitung von den Motoren über eine
Drossel C mit den Mittelanzapfungen von zwei Spartransformatoren 16 und 17 verbunden.
Das eine Ende des Spartransformators 16 ist mit den spannungswählenden Kontakten
To und T2 und das andere Ende mit dem spannungswählenden Kontakt T1 verbunden. Ebenso
ist das eine Ende des Spartransformators 17 mit den spannungswählenden Kontakten.
TT, und TT2 und dessen anderes Ende mit dem spannungswählenden. Kontakt TT1 verbunden.
Die beiden Spartransformatoren werden durch die Kontakte P bzw. PP überbrückt. Die
Kontakte werden wiederum durch den (nicht abgebildeten) Kontroller geschaltet und
sind so angeordnet, daß sie in der im Schaltplan nach Fig. 4 angegebenen Folge betätigt
werden.
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Wie man aus diesem Plan ersieht, sind in Stellung 1 die Kontakte P,
To, TTl, TTo, S1 und S2 geschlossen, wodurch den Gleichrichtern RT., RT4
eine Spannung zugeführt wird, die gleich der halben Spannung des Transformatorteils
TTO- TTl ist und den Gleichrichtern RTI, RT, die Spannung Null zugeführt wird. Beim
Übergang in Schaltstellung 2 wird zunächst der Kontakt P geöffnet und darauf der
Kontakt T1 geschlossen, wodurch die den Gleichrichtern RTl, RT, zugeführte
Spannung von Null auf die halbe Spannung der Stufe T.-T, steigt. In dieser Schaltstellung
sind daher beide Phasenspannungen symmetrisch.
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Beim Übergang in Schaltstellung 3 wird der Kontakt TT, geöffnet und
der Kontakt PP geschlossen, wodurch die Spannung an den Gleichrichtern RT2,
RT4 von der halben Spannung auf die Spannung des Teiles TTo-TTl erhöht wird. Diese
Schaltstellung ist unsymmetrisch, da die Gleichrichter RT., RT3 immer noch an der
halben Spannung der Stufe T. -T1 liegen.
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Die Schaltfolge setzt sich in dieser Weise fort, wobei zuerst durch
Abgriffumschaltung die Teilspannung an der Wicklung 14 um ihre Hälfte geändert wird,
während die Wicklung 15 unverändert bleibt, und dann erst die entsprechende AbgriffumschaItüng
an Wicklung 15 vorgenommen wird. Daher sind einige Abgriffe symmetrisch, d. h.,
gleiche Spannungen werden allen Gleichrichtern zugeführt, während andere unsymmetrisch
sind. Die Unsymmetrie übersteigt jedoch niemals die halbe Spannung einer Stufe der
Transformator ausgangswicklungen.
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Beim Erreichen der Stellung 10 werden die Kontakte Il, 1, geschlossen
und die Kontakte S1, S2 geöffnet und darauf die Schaltfolge in umgekehrter Reihenfolge
fortgesetzt, bis wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1, jedoch unter Verwendung
der unsymmetrischen Schaltfolge, die volle Spannung bei Schaltstellung 18 erreicht
ist. Durch dieses unsymmetrische Schalten wird der Gleichspannung eine Grundfrequenzwe'lligkeit
überlagert. Diese wird jedoch durch Begrenzung des Ausmaßes der Unsyminetrie klein
gehalten. Durch die Unsymmetrie wird ein bestimmter Gleichstromfluß im Transformatorkern
hervorgerufen, was jedoch durch die Auslegung des Transformators berücksichtigt
werden kann.
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Bei der unsymmetrischen Abgriffumsehaltuug nach Fig. 3 erhält man
die gleiche Anzahl von Schaltstellungen wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1,
jedoch bei einer kleineren Zahl von Kontakten.