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Erregeranordnung für die Fahrmotoren von Gleichstrom-Triebfahrzeugen
zur Erzielung verschiedener Kennlinien Es ist im allgemeinen üblich, die Fahrmotoren
elektrischer Triebfahrzeuge für Gleich- oder Wechselstrom mit Reihenschluß-Feldwicklungen
zu versehen, so daß sich für die Fahrmotoren eine Hauptstromcharakteristik ergibt.
Eine solche Charakteristik ist im allgemeinen für den Bahnbetrieb am günstigsten.
Sie hat auch den Vorzug, daß Drehzahlunterschiede der einzelnen Fahrmotoren sowie
Unterschiede der Triebraddurchmesser keine nennenswerte Beeinträchtigung des Betriebes
verursachen können, wie dies bei Fahrmotoren mit Nebenschlußcharakteristik leicht
der Fall ist.
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In vielen Fällen erweist sich jedoch die Ausführung der Fahrmotoren
als Reihenschlußmotoren als erschwerend, nämlich dann, wenn es sich darum handelt,
für bestimmte Betriebsverhältnisse entweder die Fahrmotorenfelder in Abhängigkeit
von bestimmten Größen zu beeinflussen oder eine konstante oder eine weniger als
der Ankerstrom sich ändernde Erregung zu erhalten. Dies gilt beispielsweise besonders
für Abraumlokomotiven und größere Grubenlokomotiven, wie sie im Braunkohlenbergbau
benötigt werden. Neben dem normalen Fahrbetrieb, für den eine Hauptstromcharakteristik
der Fahrmotoren erwünscht ist, soll ein sogenannter Verholbetrieb mit lastunabhängiger
und gleichbleibender Geschwindigkeit bei gleichbleibender Erregung der Fahrmotoren
möglich sein, d. h., die Fahrmotoren sollen in der Lage sein, mit Nebenschlußcharakteristik
zu arbeiten. Weiter ergibt sich bei solchen Lokomotiven auch die Forderung, durch
Feldänderung beim Fahr- oder Bremsbetrieb die Drehmomente den in Abhängigkeit von
der Zuglast sich ändernden Achsdrücken anzupassen, um das volle Gewicht des Triebfahrzeuges
als Adhäsionsgewicht ausnutzen zu können.
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Es sind bereits Lösungen bekanntgeworden, bei denen ein unterschiedliches
Verhalten der Fahrmotoren, d. h. eine Hauptstrom- bzw. Nebenschlußcharakteristik,
dadurch erreicht wurde, daß die Fahrmotoren als Verbundmotoren ausgeführt waren
und der Einfluß der verschiedenen Erregerwicklungen je nach der geforderten Kennlinie
geändert wurde. Um den Anschluß der Nebenschlußwicklung an die verhältnismäßig hohe,
für den Betrieb der Fahrmotoren zur Verfügung stehende Spannung, beispielsweise
1200 oder 1500 V, zu vermeiden, hat man auch vorgeschlagen, die Nebenschlußwicklung
von einer Erregermaschine speisen zu lassen, die während des Fahrbetriebes fahrstromabhängig,
beim Verholbetrieb und beim Bremsbetrieb jedoch fahrstromunabhängig fremderregt
wurde.
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Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, bei Maschinen auf elektrischen
Triebfahrzeugen, die neben einer normalen Hauptstrom-Erregerwicklung eine in verschiedener
Weise fremderregte Erregerwicklung aufweisen, die Fremderregung dazu zu benutzen,
die Drehmomente den Achsdrücken anzupassen. Die Erfindung behandelt die Aufgabe,
auf einem anderen Wege - und zwar ohne Verwendung von zu regelnden Maschinen - eine
noch weiter gehende Regel- und Beeinflussungsmöglichkeit zu schaffen. Nach der Erfindung
wird eine gegenüber den bekannten Maschinenschaltungen in verschiedener Beziehung
erheblich günstigere Ausbildung von elektrischen Triebfahrzeugen mit mehreren Gleichstrom-Fahrmotoren,
deren Feldwicklungen zur Erzielung verschiedener Kennlinien in verschiedener Weise
erregt werden sollen, dadurch erzielt, daß die den fremderregten Erregerwicklungen
zugeführten Ströme durch in die Stromkreise der Feldwicklungen eingeschaltete Transduktoren
im Sinne der Erzielung eines verschiedenen Betriebsverhaltens (Reihenschlußverhalten,
Nebenschlußverhalten, Verbundverhalten sowie Feldschwächung) geregelt werden. Dabei
bietet der Transduktor die Möglichkeit, neben bestimmten Kennlinien beim Fahr- und
Bremsbetrieb auch eine unterschiedliche Erregung der einzelnen Fahrmotoren, z. B.
zur Anpassung der Drehmomente an die Achsbelastungen, zu verändern. Die Fahrmotoren
können zusätzlich mit einer vom Ankerstrom durchflossenen Hauptstrom-Erregerwicklung
versehen sein.
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Ein Vorteil der Erregeranordnung nach der Erfindung besteht vor allen
Dingen darin, daß es in
einfacher Weise möglich ist, das fremderregte
Feld jedes einzelnen Fahrmotors gesondert zu beeinflussen, was nach dem bisherigen
Stand der Technik nur mit einem sehr großen Aufwand an Schalt- und Steuermitteln
möglich ist.
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Die Erregeranordnung nach der Erfindung eignet sich besonders für
Lokomotiven, die aus einem Wechselstromnetz, beispielsweise einem 50-Hz-Netz, gespeist
werden und bei denen der den Fahrmotoren zugeführte Gleichstrom durch Umformung
entweder mit Hilfe von Maschinenumformern oder mit Hilfe von Gleichrichtern gewonnen
wird. Bei solchen Triebfahrzeugen steht ohne weiteres eine Wechselspannung zur Verfügung,
an die über Gleichrichter gespeiste Feldwicklungen unter Zwischenschaltung von Transduktoren
angeschlossen werden können. Grundsätzlich kann der Erfindungsgedanke auch auf elektrische
Triebfahrzeuge angewendet werden, bei denen die Fahrmotoren mit Gleichstrom unmittelbar
aus dem Fahrdraht gespeist werden. Allerdings wird dann ein Gleichstrom-Wechselstrom-
bzw. Gleichstrom-Drehstrom-Umformer benötigt, um Wechselstrom für die Speisung der
Feldwicklungen über Transduktoren und Gleichrichter zu erzeugen.
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Nachfolgend soll eine Erregeranordnung nach der Erfindung an Hand
eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden, das sich auf eine viermotorige
Lokomotive für Speisung aus einer Wechselstrom-Fahrleitung bezieht.
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In Fig. 1 der Zeichnung erkennt man den nicht näher bezeichneten Stromabnehmer,
der über den ebenfalls nicht bezeichneten Trennschalter und den Hauptschalter die
Regelwicklung 6 c des Haupttransformators 6 speist. Mit Hilfe der Stufenkontakte
8 a S g bzw. 9 a bis 9 g und des Sprunglastschalters 7 kann der Regelwicklung 6c
eine veränderliche Spannung entnommen werden, die in den ebenfalls zum Haupttransformator
6 gehörenden Wicklungen 6a und 6 b auf eine für die Fahrmotoren passende Höhe herabgesetzt
wird. Die Spannung an den Fahrmotoren kann außerdem zusätzlich oder in bestimmten
Bereichen, z. B. bei kleinen und kleinsten Fahrgeschwindigkeiten durch Gittersteuerung
geregelt werden. Der Haupttransformator 6 weist zwei gesonderte Sekundärwicklungen
6b auf. An diese sind in Zweiwegschaltung über die gittergesteuerten Einanoden-Gleichrichtergefäße
8 und Motortrennschalter 9 in zwei Gruppen die Fahrmotoren 1 und 3 bzw. 2 und 4
der Lokomotive angeschlossen. Da den Fahrmotoren über die Einanoden-Gleichrichtergefäße
8 welliger Gleichstrom zugeführt wird, sind diese Gleichstrom-Fahrmotoren entsprechend
ausgebildet. Jeder dei vier Fahrmotoren weist zunächst eine Hauptstromwicklung 1
a, 2 a, 3 a bzw. 4 a auf. Diese Hauptstromwicklungen sind so bemessen, daß sie nur
den kleineren Teil der Erreger-Amperewindungen liefern können.
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Außer den Hauptstromwicklungen 1 a bis 4 a sind die fremderregten
Erregerwicklungen 1 b bis 4 b vorhanden. Wicklungsachsen der fremderregten Erregerwicklungen
1 b bis 4 b sind, um eine bessere Übersicht der Darstellung zu erreichen, gegenüber
den Achsen der Hauptstromwicklungen 1 a bis 4 a um 90" gedreht gezeichnet
worden. In den Stromkreisen der gruppenweise gespeisten Fahrmotoren sind noch die
Glättungsdrosselspulen 11, außerdem in den einzelnen Fahrmotor-Stromzweigen die
Abschalter 12 vorhanden, die es ermöglichen, die Fahrmotoren, erforderlichenfalls
auch nur einen Einzelmotor, abzuschalten.
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Die fremderregten Erregerwicklungen 1 b bis 4 b sind
nach der Erfindung über in Brückenschaltung angeordnete Gleichrichtergruppen 13,
von denen der Übersichtlichkeit halber nur eine eingezeichnet ist, und Transduktoren
14 bis 17 an die Wechselspannung, z. B. von 50 Hz, führende Erregersammelschiene
36 angeschlossen. Diese Erregersammelschiene kann ohne weiteres an nicht dargestellte
Anzapfungen oder eine Hilfswicklung des Haupttransformators 6 angeschlossen werden.
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Die Schaltung ist nun so getroffen, daß für den normalen Fahrbetrieb
der Lokomotive die Erregerspannung und damit der Erregerstrom der fremderregten
Erregerwicklungen 1 b bis 4 b abhängig von dem Belastungsstrom verändert wird. Damit
wird den Fahrmotoren 1 bis 4 ein Reihenschlußverhalten gegeben, bei dem außer den
Hauptstromwicklungen 1 a bis 4 a auch die fremderregten Erregerwicklungen 1 b bis
4 b einen mit steigendem Strom der Fahrmotoren zunehmenden Erregerstrom führen.
Diese Wirkung wird mit Hilfe eines Stromtransformators 20 erreicht. dessen
nicht näher bezeichnete Primärwicklung der Primärstrom des Haupttransformators 6
durchfließt. Im Sekundärstromkreis des Stromtransformators 20 liegen die Primärwicklungen
weiterer Stromtransformatoren 21 bis 24, deren ebenfalls nicht näher bezeichnete
Sekundärwicklungen an je eine nicht dargestellte Wicklung der Transduktoren 14 bis
17 angeschlossen sind. Mit zunehmendem Strom in der Primärwicklung des Stromtransformators
20 ergeben sich steigende Spannungen am Ausgang der Transduktoren. Praktisch
wirkt jeder Transduktor bei dieser Schaltung als stromabhängiger Zusatztransformator.
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In einfachster Weise kann nun an Stelle einer fahrstromabhängigen
Erregung der fremderregten Erregerwicklungen 1 b bis 4 b eine Nebenschlußerregung
erreicht werden, indem die fahrstromabhängig über die Stromtransformatoren
21 bis 24 gespeiste Zusatzerregung der einzelnen Transduktoren abgeschaltet
bzw. unwirksam gemacht wird. Zur Erzielung einer konstanten Spannung an den fremderregten
Erregerwicklungen 1 b bis 4 b muß dann die nicht näher bezeichnete Sekundärwicklung
des Stromtransformators 20 kurzgeschlossen und gleichzeitig von den Stromtransformatoren
21 bis 24 getrennt werden. Es ist sodann eine konstante Wechselspannung an die Primärstromkreise
der Stromtransformatoren 21 bis 24 zu legen, deren Höhe so bemessen wird, daß die
Schaltung der Stromtransformatoren 21 bis 24 erhalten bleiben kann. Die den einzelnen
fremderregten Erregerwicklungen 1 b bis 4 b zugeordneten Transduktoren
14 bis 17 weisen außerdem zwei weitere Steuerwicklungen 14 a bis 17
a bzw. 14 b bis 17 b auf. Die Steuerwicklungen 14 b bis 17 b dienen
zur Beeinflussung der Erregung der Fahrmotoren im Sinne einer bestimmten Belastungsverteilung.
Diese Steuerwicklungen sind hierzu an die Differenz zweier Spannungen angeschlossen,
die dem Soll- bzw. dem Istwert des Fahrstromes entsprechen. Grundsätzlich werden
dabei die dem Ist- bzw. dem Sollwert des Fahrstromes entsprechenden Spannungen auf
folgendem Wege dargestellt: In jedem der Fahrmotor-Stromkreise ist ein Widerstand
41 bis 44 eingeschaltet. Da diese Widerstände von dem Strom der Fahrmotoren 1 bis
4 durchflossen
werden, ist die an ihnen auftretende Spannung ein
Maß für den Istwert der Fahrmotorströme. Außerdem sind an die nicht näher bezeichnete
Sekundärwicklung eines weiteren primärseitig in den Stromkreis der Wicklung 6a des
Haupttransformators 6 eingeschalteten Stromwandlers 29 über eine Gleichrichtergruppe
30 in Reihenschaltung vier ohmsche Widerstände 31 bis 34 angeschlossen.
Durch diese Widerstände fließt somit ein dem Gesamtstrom der vier Fahrmotoren proportionaler
Strom. Die an den einander zugeordneten Widerständen 41 und 33., 42 und 32, 43 und
33 sowie 44 und 34 abgegriffenen Spannungsabfälle werden zur Vermeidung von galv
anischen Kopplungen den Steuerwicklungen von weiteren vier Transduktoren
51 bis 54 zugeführt und miteinander verglichen. Die die Differenzen
zwischen Soll- und Istwerten darstellenden Ausgangsspannungen der Transduktoren
51 bis 54 werden den Steuerwicklungen 14 b bis 17 b der Transduktoren 14 bis
17 zugeführt und bewirken nun eine vorgegebene Beeinflussung der Stromstärke
in den fremderregten Erregerwicklungen 1 b bis 4 b der Fahrmotoren
1
bis 4 in dem Sinne, daß die Fahrmotorströme einen bestimmten Wert
erhalten. Werden die Widerstände 31 bis 34 gleich groß bemessen, so wird durch diese
Schaltung Gleichheit der Fahrmotorströme erzwungen, wenn die Regelwicklungen der
Transduktoren 51 bis 54 untereinander auch gleich sind. Durch Änderung entweder
der Widerstände 31 bis 34 oder der Regelwicklungen der Transduktoren
51 bis 54, die entsprechend abgestuft oder mit Abgriffen versehen sein können, können
nun den Fahrmotoren 1 bis 4 durch Beeinflussung der Erregung verschiedene
Ankerströme aufgezwungen werden. Vorteilhafterweise wird man die Widerstände
31 und 33 abweichend von den Widerständen 32 und
34 so bemessen, daß - in Fahrtrichtung gesehen - die beiden vorderen Fahrmotoren
1 und 3 der Drehgestelle eine kleinere, die hinteren Fahrmotoren 2
und 4 der Drehgestelle eine größere Erregung zur Anpassung an die mit den Zugkräften
sich ändernden Achsbelastungen erhalten. Selbstverständlich wäre es grundsätzlich
auch möglich, die Erregungen aller vier Fahrmotoren etwas voneinander abweichend
zu machen, wenn die tatsächlich auftretenden Achsbelastungen an allen vier Fahrmotoren
voneinander zu verschieden sein sollten. In der Regel wird man die Anschlüsse der
Widerstände 31 bis 34 für die Transduktoren 51 bis 54 umschaltbar machen,
um sinngemäß bei Änderungen der Fahrtrichtung die Erregung der Fahrmotoren den auftretenden
Änderungen der Achsbelastungen anpassen zu können.
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Wie bereits gesagt, weisen die Transduktoren 14
bis 17 noch
weitere Steuerwicklungen 14a bis 17a auf. Diese dienen dazu, beim Fahrbetrieb eine
Feldschwächung der Fahrmotoren zu erzielen. Hierzu können sämtliche Steuerwicklungen
14 a bis 17 a miteinander in Reihe geschaltet und über einen Feldschwächungsregler
entweder an eine Sammlerbatterie oder an eine sonstige Gleichstromquelle angeschlossen
werden. Der Feldschwächungsregler wird in Abhängigkeit von der Bewegung des Fahrschalters
nach Erreichung einer gewissen Fahrgeschwindigkeit eingeschaltet, wobei der Wert
des die Steuerwicklungen 14a bis 17a durchfließenden Vormagnetisierungs-Gleichstromes
von dem Wert Null auf einen Höchstwert gesteigert wird. Damit tritt infolge der
zunehmenden Sättigung der magnetischen Kreise der Transduktoren eine Verminderung
der Ausgangsspannung an den Transduktoren und damit eine Schwächung der Erregung
der fremderregten Erregerwicklungen 1 b bis 4 b ein. Diese Einrichtung
ermöglicht somit, von der sonst üblichen Feldschwächung der Fahrmotoren durch Parallelschaltung
von Nebenschlußwiderständen mit Hilfe von verhältnismäßig schweren Feldschwächungsschützen
abzusehen.
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Die Anwendung von Transduktoren hat weiter den Vorzug, daß die Felder
der Fahrmotoren auch noch in anderer Weise zur Erzielung bestimmter Regelwirkungen
beeinflußt werden können.
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Beispielsweise kann eine Beeinflussung der Transduktoren abhängig
von dem Belastungsstrom einer mit der Lokomotive gekuppelten weiteren Lokomotive
erreicht werden, um Verschiedenheiten der Zugkräfte der beiden Lokomotiven und damit
Abweichungen der Fahrmotorbelastungen dieser Lokomotiven auszuschließen. Diese Wirkung
kann erreicht werden, indem z. B. zu der Sekundärwicklung des Stromtransformators
20 bzw. zu den Primärwicklungen der Stromtransformatoren 21 bis 24 eine mit
Gleichstrom vormagnetisierte Drosselspule 39 parallel geschaltet wird, die mit einer
Steuerwicklung für den Lastausgleich bei Zwillingsfahrt zweier miteinander gekuppelter
Lokomotiven versehen ist. Dabei wird die Steuerwicklung von der Differenz zweier
den Lokomotivströmen proportionalen Spannungen beeinflußt.
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Die gleiche Wirkung kann auch dadurch erreicht werden, daß auf den
Transduktoren 14 bis 17 besondere, abhängig von der Differenz der Belastungsströme
miteinander gekuppelten Lokomotiven beeinfiußte Steuerwicklungen vorgesehen werden.
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Man erkennt, daß durch die angegebene Schaltung mit Regelung der den
fremdgespeisten Fahrmotor-Feldwicklungen zugeführten Ströme durch Transduktoren
den Fahrmotoren je nach Betriebserfordernissen das gewünschte Verhalten gegeben
werden kann.
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In Einzelheiten kann die beschriebene Schaltung selbstverständlich
abgeändert werden. Es wird sich im allgemeinen empfehlen, die Stromregelung durch
Vergleich einer dem Sollwert mit einer dem Istwert entsprechenden Spannung etwas
anders durchzuführen, z. B. indem man den Vergleich der Soll- und der Istwerte der
Fahrmotorströme unmittelbar über weitere Steuerwicklungen in den Transduktoren 14
bis 17 vornimmt, so daß die besonderen Transduktoren 51 bis
54 fortfallen können.
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Fig.2 gibt eine entsprechende Abänderung der Schaltung nach Fig. 1
wieder. In Fig. 2 bedeuten wieder 29 den Stromwandler, 30 eine Gleichrichtergruppe,
31 bis 34 die Widerstände, die von einem dem Belastungsstrom proportionalen Strom
durchflossen werden und den Sollwerten der Fahrmotorströme proportionale Spannungen
liefern. 41 ist der in den Stromkreis des Fahrmotors 1 eingeschaltete Widerstand,
an dem eine dem Istwert des Fahrmotorstromes proportionale Spannung abgenommen wird.
Die an den Widerständen 41 und 31 auftretenden Spannungen sind an die Steuerwicklungen
14 d und 14 c des Transduktors 14 angeschlossen.
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Zur Vereinfachung ist in Fig. 2 die abgeänderte Schaltung für die
Stromregelung in Abhängigkeit von den dem Soll- bzw. dem Istwert des Fahrmotorstromes
entsprechenden Spannungen nur für einen Fahrmotor dargestellt. Selbstverständlich
ergibt sich
auch für die übrigen Fahrmotoren 2 bis
4 eine entsprechende Schaltung zur Beeinflussung der Transduktoren
15 bis 17.
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Gemäß Fig. 1 wird den Transduktoren 14 bis 17 einphasiger Wechselstrom
von den Erregersammel-%chienen 36 zugeführt. Die Schaltung kann jedoch auch so abgeändert
bzw. vervollkommnet werden, daß die Transduktoren 14 bis 17 mehrphasig
ausgeführt werden. Eine solche Schaltung hat den Vorzug, daß die Welligkeit der
den fremderregten Erregerwicklungen 1 b bis 4 b zugeordneten Ströme
wesentlich verringert wird. Die Speisung des Primärteiles der Transduktoren kann
hierbei mit Vorteil beispielsweise durch einen Arno-Umformer erfolgen, der am Einphasennetz
liegt und sekundär eine Dreiphasenspannung liefert. Bei Vorhandensein eines Einphasen-Gleichstrom-Maschinen-Umformers
auf Umformerlokomotiven kann vorteilhafterweise der Ständer des Umformers mit einer
Dreiphasenwicklung zur Gewinnung eines Drehstromes dienen, wie er auch sonst für
Hilfsbetriebe häufig benötigt wird.
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Während eines Nutzbremsbetriebes wird man in vorteilhafter Weise die
Erregung der Feldwicklungen der Fahrmotoren durch eine entsprechende Beeinflussung
der Steuerwicklungen der Transduktoren verändern, wobei über eine Tachometerdynamo
diese Beeinflussung in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit vorgenommen werden
kann.