DE1105456B - Nutzbremsschaltung fuer elektrische Triebfahrzeuge od. dgl. mit einem oder mehreren Gleichstrom-antriebsmotoren mit Reihenschluss-, Kompound- oder Nebenschlussverhalten - Google Patents

Description

• Nutzbremsschaltung für elektrische Triebfahrzeuge od. dgl. mit einem oder mehreren Gleichstromantriebsmotoren mit Reihenschluß-, Kompound- oder Nebenschlußverhalten Zur Energierückgewinnung beim Bremsen elektrischer Triebfahrzeuge ist eine große Zahl von Schaltungen bekannt. Allen diesen Schaltungen ist gemeinsam, daß zur Einleitung der Nutzbremsung eine -Umschaltung der Fahrmotoren erfolgen muß, derart, daß sie bei unveränderter Drehrichtung als Generatoren arbeiten. Zumeist ist eine Fremd- oder Verbunderregung notwendig. In der Mehrzahl der Fälle muß zunächst auch eine Vergleichsmessung zwischen Netz-bzw. Fahrdraht- und Genera:torspannung erfolgen, bevor das Nutzbremsschütz eingelegt werden kann. Ebenso muß die Bremsschaltung durch SchaItmaßnahmen aufgelöst werden, wenn trotz voller Erregung der generatorisch arbeitenden Fahrmotoren ihre Klemmenspannung wegen der kleiner werdenden Drehzahl unter die Netzspannung absinkt. Dadurch soll vermieden werden, daß die Maschinen sofort wieder als Motoren Energie aus dem Netz entnehmen.
• Es gibt zahlreiche Nutzbremsschaltungen, die diese Forderungen erfüllen. Ihnen ist gemeinsam, daß Nockenschalter oder Schütze vorgesehen sind, um die Fahrschaltung aufzulösen, die Bremsschaltung herzustellen, die Motorfeldwicklungen umzuschalten und gegebenenfalls die Motorgruppierung zu ändern. Es ist also eine beträchtliche Zahl von Kontakteinrichtungen zu betätigen, wobei entsprechende Verriegelungen vorgesehen werden müssen, um die gewiinschte Schaltreihenfolge sicherzustellen und Kurzschlüsse zu verhindern, solange ein Öffnungslichtbogen an irgendeinem Kontakt besteht.
• Es gibt zwar bereits Bremsschaltungen, in denen unter anderem auch Sperrzellen vorkommen. Sie dienen aber zum Abfangen von Stromstößen, zur Kompoundierung von Netzspannungsschwankungen, zum Schutz der Fahrmotoren vor Stromstößen oder zur Vermeidung einer Leistungsunterbrechung beim Übersang von Nutzbremsung auf Kurzschlußbremsung.
• Die Erfindung betrifft eine Nutzbremsschaltung für elektrische Triebfahrzeuge. od. dgl. mit einem oder mehreren Gleichstromantriebsmotoren mit Reihenschluß-, Kompound- oder Nebenschlußverhalten. Erfindungsgemäß ist die unter Zuhilfenahme ruhender Schaltelemente, insbesondere gesteuerter und ungesteuerter Stromventile, aufgebaute Nutzbremsschaltung ständig vorhanden, und die Bremsung wird nach ein- oder zweipoliger Öffnung des Fahrstromkreises allein durch Erregung der Fahrmotorfeldwicklungen aus einer Fremdstromquelle eingeleitet, geregelt bzw. beendet. Die Bremsschaltung ist also stets vorhanden, aber durch entsprechend angebrachte Sperrzellen unwirksam, solange die Fahrschaltung besteht. Zum Clbergang von Fahren auf Bremsen ist es lediglich notwendig, den Fahrstromkreis ein- oder zweipolig zu öffnen und dann die Fabrmotorfeldwicklungen entsprechend der jeweils gewünschten Bremswirkung aus einer Fremdstromquelle zu erregen. Die Zahl der benötigten Schütze ist dabei auf ein Minimum herabgesetzt, und es sind auch keine Verriegelungen mehr notwendig. Die Erfindung ist nicht nur für von einer Batterie oder einer Umformungseinrichtung auf dem Fahrzeug oder fahrleitungsgespeiste elektrische Triebfahrzeuge anwendbar. In gleichem Maße kann die Erfindung auch bei anderen Antrieben, z. B. bei Fördermaschinen oder Schiffsantrieben mit Pufferbatterie, angewendet werden. Voraussetzung ist lediglich, daß ein für die Nutzbremsenergie aufnahmefähiges Netz vorhanden ist. In der Zeichnung Fig. 1 bis 3 sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt.
• Bei Fig. 1 ist zunächst der Einfachheit halber angenommen, daß ein Fahrzeug vorliegt, dessen Fahrmotor aus einer mitgeführten Batterie 1 gespeist wird. Zur Herstellung der Fahrschaltung dient ein Motortrennschütz 2, das über den Anfahrwiderstand 3 die Verbindung zur Feldwicklung 4 und zum Anker 5 des Fahrmotors herstellt. Es ist angenommen, daß das Fahrzeug von einem Reihenschlußmotor angetrieben wird.
• Zur Nutzbremsung ist eine Erregerstromquelle 6 vorhanden, die z. B. eine Achsdynamo sein kann. Über Sperrzelle 9 ist diese Erregerstromquelle 6 parallel zur Feldwicklung 4 des Fahrmotors geschaltet. Außerdem ist zwischen der Feldwicklung 4 und dem Anker 5 des Fahrmotors eine Verbindung abgezweigt, die über eine Sperrzelle 8 an den Pluspol der Batterie 1 führt.
• Die Anordnung arbeitet wie folgt: Unter der Annahme, daß das Fahrzeug in Bewegung ist und der Anker des Motors in einer bestimmten Drehrichtung 1iereits läuft, arbeitet die Anordnung folgendermaßen: Nach Auflösen der Fahrschaltung durch Öffnen des Trennschützes 2 wird durch die Erregung der Motorfeldwicklung 4 aus der Erregerspule 6 in gleicher Stromrichtung wie heim Fahren die inotorische Gegen-EMK jetzt zur generatorischen, breinsenden Klemmenspannung ("b. Für den Fall, daß die Generatorspannuiig 67b hei einer bestimmten Erregung der Feldwicklung 4 kleiner als die Batteriespannung U" ist, erfolgt weder eine Bremsung und Energierücklieferung noch ein Fahren bzw. eine Energieaufnahme, In diesem Fall rollt das Fahrzeug in stromlosem Auslauf, wobei gegebenenfalls die immer vorhandene mechanische Bremse bis zum Stillstand eingesetzt werden kann. Wenn nun die Erregung der M:otorfeldwicklung 4 durch einen nicht dargestellten Regelschalter so gesteigert wird. daß die Generatorspannung L"v die Netzspannung L'n übersteigt, so fließt über die Oberverbindung mit der Sperrzelle 8 ein dieser Spannungsdifferenz entsprechender Strom in die Batterie 1 zurück. Bei abnehmender Fahrgeschwindigkeit wird bei fest eingestellter Erregung der Motorfeldwicklung 4 die Spannungsdifferenz ständig kleiner his auf -Null, d. h. bis (Tb = L'" ist. In diesem Punkt hört die Energierücklieferung auf. das Fahrzeug rollt stromlos weiter Lind kann bis zum Stillstand durch eine mechanische Bremse abgebremst werden. Die Bremsung wird also ohne Einflußnahme auf die Schaltung aufgelöst. Die Dimensionierung der Sperrzelle 7 erfolgt so, claß die Nemisperrspannung dem maximalen Wert des Spannungsabfalles in der Feldwicklung 4 mindestens gleich ist. Die Sperrzelle S ist für den Höchstwert der N etzspalinung in Sperrichtung auszulegen. Es stehen für diesen Zweck Halbleitergleichrichter, z. B. Siliziumgleichrichter, in leistungsfähiger Ausführung zur Verfügung, so daß z. B. bei Batteriefahrzeugen eine Sperrzelle in der Lage ist, diese Spannung in Sperrichtung auszuhalten. Je nach der Höhe des auftretenden Stromes müssen unter Umständen mehrere solcher Zellen parallel geschaltet werden.
• Besonders zweckmäßig ist eine Anordnung nach diesem und den folgenden Ausführungsbeispielen für Batteriefahrzeuge, weil ein aufnahmefähiges Netz immer vorhanden ist. Es wird zwar je nach der Betriebsweise des Fahrzeuges die Batterie durch die verschiedentlich vorgenommenen Nutzbremsungen nicht bis zur vollen Höhe aufgeladen, jedoch dient es der Pflege der Batterie, lvenn sie abwechselnd mit Lade-und Entladestrom beansprucht wird, was durch die vorgeschlagenen Schaltungen in jedem Fall gewährleistet ist.
• Fig.2 zeigt grundsätzlich die gleiche Anordnung finit den gleichen Schaltelementen. Die Änderung gegenüber Fig. 1 besteht lediglich darin, daß die Fahrschaltung zweipolig durch ein Trennschütz 2, 2' aufgelöst wird, wie es bei Batteriefahrzeugen regelmäßig der Fall ist. In diesem Fall ist allerdings eine weitere Sperrzelle 8' zur Schließung des generatorischen Ankerkreises notwendig.
• Die bisher beschriebenen Anordnungen haben die Eigenheit, daß die unterste bei einer Nutzbreinsung erreichbare Fahrgeschwindigkeit bzw. Drehzahl nicht sehr tief liegt. Bei üblicher Auslegung des Fahrmotors beträgt die kleinste Bremsgeschwindigkeit etwa 40% der Höchstgeschwindigkeit. Diese Geschwindigkeit läßt sich wegen der Sättigung der Maschinen trotz hoher Felderregung nicht wesentlich absenken. Bei zwei- oder mehrmotorigen Fahrzeugen, die im Regelfall vorhanden sind, maß also beim Bremsen eine Reilienschaltung der Fahrmotoren erfolgen. Eine solche Schaltung zeigt Fig. 3.
• Diese Schaltung enthält wiederum ein Netz 1, das eine Batterie oder eine Fahrleitung sein kann, ein doppelpoliges Trennschütz 2, 2' und einen Anfahrwiderstand 3. Es sind jetzt aber zwei Fahrmotoren mit Ankern 11 und 12 und Feld-,v icklungen 13 und 14 vorhanden. Zur Erregung dient eine Erregerstrolnquelle 15, beispielsweise in Form einer Achsdynamo, einer Lichtmaschine od. dgl. Außerdem ist ein Stainlisierungswiderstand 16 in Reihe mit der Erregerstromquelle 15 geschaltet. Diese Elemente befinden sich zwischen den Verbindungspunkten der Anker und Feldwicklungen der Fahrmotoren. Außerdem gehören zu der Schaltung Sperrzellen 17, 18 und 19.
• Beim Fahren sind die beiden Fahrmotoren finit ihren Ankern 11 und 12 und den Feldwicklungen 13 und 14 in der gezeichneten Weise untereinander parallel geschaltet. Die Erregerstromquelle 15 liegt in Reihe finit dem Stabilisierungswiderstand 16 zwischen den Allkern und den Feldwicklungen der Fahrmotoren. Nach Auflösung der Fahrschaltung durch Öffnen des Trennschützes 2, 2' wird die Bremsung lediglich dadurch eingeleitet, daß die Motorfeldwicklungen 13 und 14 durch die Erregerstromquelle 15 so erregt werden, daß beide Feldwicklungen in Reihe geschaltet sind. Dies bedeutet, daß in der Feldwicklung 13 die- Stromrichtung die gleiche ist wie beim Fahren, während sie in der Feldwicklung 14 umgekehrt wird. Demzufolge entstehen in den Ankern 11 und 12 der Fahrmotoren die beiden Bremsspannungen U1 und LT, mit der durch Pfeile angedeuteten Richtung. Der Bremsstromkreis verläuft vom Anker 11 über die Sperrzelle 18, das Netz 1, die Sperrzelle 19 und den Anker 12 zurück zum Anker 11. Dieser Bremsstromkreis schließt sich selbsttätig, wenn die Summe U1 ,' LT2 gegenüber der Netzspannung U" überwiegt. Es fließt dann ein Strom entsprechend der Differenz dieser Spannungen. Die Sperrzelle 17 schützt den Ankerstromkreis cor einem Kurzschluß über die Motorfeldwicklungen. Auch bei dieser Schaltung löst sich die Bremse ohne Zutun hei zu niedriger Geschwindigkeit des Fahrzeuges auf. Durch diese Schaltung wird erreicht, duß die Fahrmotoren, obwohl sie beim Fahren in Parallelschaltung liegen, beim Bremsen ohne Schaltungsänderungen in Reihenschaltung als fremderregte Generatoren arbeiten. Die kleinste 'N?utzbremsgeschwindigkeit liegt jetzt wesentlich tiefer, und zwar bei etwa 20% der Höchstgeschwindigkeit. Je nach dein Sättigungsgrad der Fahrmotoren im Falle der Übererregung kann die Nutzbremsgeschwindigkeit noch weiter herabgesetzt werden.
• Die angeführten Beispiele gelten auch für fahrleitungsgespeiste elektrische Triebfahrzeuge, wobei die Voraussetzung gilt, daß das entsprechende Netz für die Energierücklieferung aufnahmefähig sein maß. Die Anwendung der angegebenen Schaltungen ist aber nicht nur auf elektrische Triebfahrzeuge beschränkt. Vielmehr können diese Schaltungen in gleicher Weise auch bei industriellen Antrieben verwendet werden, sofern durch den Bremsvorgang nennenswerte Energiemengen verfügbar sind und ein dafür aufnahmefähiges Netz zur Verfügung steht. Solche Antriebe sind z. B. Fördermaschinen und Gleichstromschiffsantriebe, bei denen eine Pufferbatterie zur Verfügung steht.
• Was die Erregerstromquelle anbelangt. so wurde bereits erwähnt, daß dafür eine Achsdynamo verwendet werden kann. Gegebenenfalls kann hierfür aber auch ein Umformer für Gleichstrom-Drehstrom mit nachgeschaltetem Gleichrichter verwendet werden, da hierbei eine gute Regelungsmöglichkeit der Erregung über Magnetverstärker zur Erzielung einer gewünschten Bremskennlinie möglich ist.
• Die elektrische Nutzbremsung kann mit einer mechanischen Bremse zu einer Wirkungseinheit zusammengefaßt werden, derart, daß die Summe der Bremswirkungen konstant ist.

Claims (9)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Nutzbremsschaltung für elektrische Triebfahrzeuge od. dgl. mit einem oder mehreren Gleichstromantriebsmotoren mit Reihenschluß-, Kompound- oder Nebenschlußverhalten, dadurch gekennzeichnet, daß die unter Zuhilfenahme ruhender Schaltelemente, insbesondere gesteuerter und ungesteuerter Stromventile, aufgebaute Nutzbremsschaltung ständig vorhanden ist und daß die Bremsung nach ein- oder zweipoliger Öffnung des Fahrstromkreises allein durch Erregung der Fahrmotorfeldwicklungen aus einer Fremdstromquelle eingeleitet, geregelt bzw. beendet wird.
2. 2. Nutzbremsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmotoren in Reihenschaltung, Parallelschaltung oder einer Kombinationsschaltung auf das Netz zurückarbeiten, wobei die Erregung über einen gesamten Erregerkreis in einer Reihen- oder Parallelschaltung oder einer Kombinationsschaltung erfolgt.
3. 3. Nutzbremsschaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erregung der Antriebsmotoren eine getrennte Stromquelle, Umformer oder Wechselgleichrichter dienen.
4. 4. I\Tutzbremsschaltung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung durch eine Regelanordnung nach einer vorgegebenen Kennlinie in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit, der Bremskraft, der Netzspannung oder einer Kombination hiervon, erfolgt.
5. 5. l\Tutzbremsschaltung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung der Fahrmotoren bei beendeter Nutzbremsung abgeschaltet wird.
6. 6. Nutzb-remsschaltung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Motoren beim Fahren in Parallelschaltung, beim Bremsen jedoch in Reihenschaltung am Netz liegen.
7. 7. Nutzbremsschaltung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Bremse mit einer mechanischen Bremse zu einer Wirkungseinheit zusammengefaßt ist, derart, daß die Summe der Bremswirkungen konstant ist. B.
8. Nutzbremsschaltung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anker (5) der Fahrmotoren über nur für den Bremsstrom durchlässige Stromventile (8, 8') an das Netz (1) ständig angeschlossen sind und daß parallel zu der Fahrmotorfeldwicklung (4) die Fremdstromquelle (6) über ein nur für den Fremdstrom durchlässiges Stromventil (7) geschaltet ist (Fig. 1 und 2).
9. 9. Nutzbremsschaltung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anker (11, 12) der Fahrmotoren in Reihe geschaltet über nur für den Bremsstrom durchlässige Stromventile (18, 19) an das Netz (1) ständig angeschlossen sind und daß die Fahrmotorfeldwicklungen (13, 14) mit der Fremdstromquelle (15) ständig einen Stromkreis bilden, der gegen den Ankerstromkreis durch eine Sperrzelle (17) abgeriegelt ist (Fig. 3). In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 618 027. 682 919, 591351, 761367, 712 727, 814 761; deutsche Auslegeschrift Nr. 1042 001.