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Steuer- und Regeleinrichtung für den Betrieb elektrischer Lüftermotoren,
insbesondere auf Triebfahrzeugen Für den Antrieb von Lüftermotoren elektrischer
Triebfahrzeuge ist es bekannt, diese Motoren auf Wechselstromtriebfahrzeugen an
die sogenannteIlfsbetriebewicklung des Haupttransformators anzuschließen. Hierbei
wird infolge des festen übersetzungsverhältnisses zwischen der Oberspannungswicklung
und der Hilfsbetriebewicklung die Fahrdrahtspannung entsprechend diesem übersetzungsverhältni.s
herabgesetzt und den Hilfsbetriebemotoren als starre Spannung, sofern man von den
Schwankungen der Fahrdrahtspannung absieht, zugeführt.
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Auch die vielfach verwendeten Hilfsbetriebeumformer erzeugen eine
im wesentlichen starre Spannung, deren Höhe nur von der Auslegung des Umformers
abhängig ist. Spannungsschwankungen, die durch die Sättigung der aktiven Teile des
Hilfsbetriebeumformers hervorgerufen werden, können bei dieser Betrachtung vernachlässigt
werden.
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Von den auf einem Fahrzeug verwendeten Hilfsbetrieben interessieren
hier nur diejenigen Einrichtungen, die zur Kühlung bzw. Belüftung der Hauptgeräte
dienen. Hierunter sind die Lüfter für die Fahrmotoren und für Gleichrichter mit
den zugehörigen Glä.ttungsdrosseln zu verstehen. Außerdem zählen dazu der zum Haupttransformator
gehörende Ölkühlerlüfter und die gegebenenfalls vorhandenen Lüfter für die Bremswiderstände.
Die Leistung der diesen Hauptgeräten zugeordneten Lüfter wird üblicherweise so bemessen,
daß bei Nennleistung des zu kühlenden Gerätes und bei der mit dem Abnehmer festgelegten
höchsten Lufttemperatur die Grenztemperaturen der Geräte nach den für die betreffenden
Geräte gültigen Vorschriften nicht überschritten werden.
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Dies hat zur Folge, daß die Lüfter unabhängig von der tatsächlichen
Belastung der zu kühlenden Geräte - abgesehen von der sogenannten Sommer-Winter-Schaltung
- unabhängig von der Außentemperatur stets die gleiche Luftmenge fördern. Berücksichtigt
man hierbei, daß der Leistungsbedarf der Lüfter etwa 2 bis 51/o der Nennleistung
des Triebfahrzeuges beträgt und daß diese Leistung unabhängig von der Nutzleistung
des Fahrzeuges während der gesamten Betriebszeit verbraucht wird, so wird hierdurch
der Jahreswirkungsgrad des Triebfahrzeuges ungünstig beeinflußt.
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Abgesehen von der ständigen Belästigung des Lokpersonals und der Reisenden
durch das Geräusch der Lüfter werden die Lüftungsgitter während der Betriebszeit
auch dauernd mit einer hohen Luftmenge beaufschlagt, wodurch der Eintritt von Staub,
Wasser und Schnee in den Maschinenraum begünstigt wird. Um diese Mängel im Betrieb
von Lüftermotoren, insbesondere auf elektrischen Triebfahrzeugen, zu vermeiden,
wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Mittelwert der die Lüftermotoren speisenden
Spannung durch steuerbare Gleichrichterelemente an den Leistungsumsatz in den Stromkreisen
der zu kühlenden Maschinen und Geräte anzupassen. Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung
der Erfindung ist in der Verwendung einer Brückenschaltung für die Gleichrichterelemente
zu sehen, in der zumindest ein Teil der Zweige in an sich bekannter Weise mit steuerbaren
Elementen bestückt ist. In vorteilhafter Weise werden in der Brückenschaltung bekannte
Steuerbare Halbleiterelemente, insbesondere Vierschicht-Gleichrichter, verwendet.
Hierbei sind die Elemente, die den Zündzeitpunkt bzw. die öffnungsdauer der steuerbaren
Gleichrichterelemente beeinflussen, durch den Spannungsabfall an einer Kombination
von Wärmefühlern, vorzugsweise an einer Kombination von Widerständen mit negativem
Temperaturkoeffizenten, sogenannten Heißleitern, bestimmt. Weiterhin ist es vorteilhaft,
nicht nur die Erwärmung des zu kühlenden Gerätes bzw. die Ablufttempe,ratur hinter
diesem Gerät zu erfassen, sondern es wird vorgeschlagen, auch den Anlaßvorgang durch
Verwendung eines sogenannten Anlaßwärmefühlers zu steuern.
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Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung werden die Lüftermotoren
abhängig von der Last und der Außentemperatur gesteuert bzw. geregelt. Die bisher
üblichen Anlaßwiderstände und Anlaßschütze in Serie zu den meist verwendeten Kollektormotoren
für
den Antrieb der Lüfter werden entbehrlich, da ein Herabsetzen der Antriebsleistung
ohne Schwierigkeiten durch eine entsprechende Aussteuerung der Gleichrichterelemente
erzielt werden kann. Die Einsparungen an elektrischer Energie und der damit vergrößerte
Wirkungsgrad des Triebfahrzeuges sind erheblich. ° Während bisher die Lüfter unabhängig
von dem tatsächlichen Kühlluftbedarf mit voller Leistung mitgelaufen sind, wird
nun die Lüfterleistung dem tatsächlichen Leistungsbedarf individuell angepaßt und
damit der Jahreswirkungsgrad heraufgesetzt. Die bei Anwendung der Erfindung zu erzielendenEinsparungen
in denBetriebskosten sind bei den heute üblichen Laufleistungen elektrischer Lokomotiven
erheblich.
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Gleichzeitig wird die in einer Zeiteinheit angesaugte mittlere Luftmenge
herabgesetzt. Dies bedingt eine wesentliche Verringerung des Staub- und Wasseranfalles
im Maschinenraum. Für den Betrieb unter schwierigen klimatiadhen Bedingungen bedeutet
die Verminderung der angesaugten mittleren Luftmenge auch eine Schonung bzw. eine
Erhöhung der Lebensdauer für die oft notwendigen Filter. Während des Rangierens,
wenn die Fahrmotoren nur gering belastet sind, bzw. während Standzeiten auf Bahnhöfen
ist die Belästigung durch das Lüftergeräusch durch Verwendung der erfindungsgemäßen
Einrichtung stark herabgesetzt. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei an Hand
einer Zeichnung erläutert.
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Ein Fahrmotor l als Beispiel eines zu kühlenden Gerätes wird von einem
Lüfter 2 gekühlt. Der Antrieb des Lüfters 2 erfolgt durch den Reihenschluß-Kollektormotor
3, dessen Speisespannung an der Diagonale einer Gleichrichter-Brückenschaltung 4
abgegriffen wird. Primärseitig ist diese Gleichrichter-Brückenschaltung 4 mit den
Klemmen 5 und 6 an die Hiifsbetriebewicklung des nicht dargestellten Haupttransformators
angeschlossen. Unter Verwendung der üblichen Auslegung für die Lüftermotoren liegt
zwischen den Klemmen 5 und 6 eine Spannung von z. B. 220 V an.
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In der Gleichrichter-Brückenschaltung 4 sind zwei Elemente, und zwar
die Elemente 4 a und 4 b, als übliche Trockengleichrichter ausgeführt, während die
Elemente 4 c und 4 d steuerbare Halbleiterelemente sind.
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Die Wahl d.es Zündpunktes bzw. der Öffnungsdauer der steuerbaren Halbleiterelemente
4c und 4d erfolgt durch einen Steuerblock 7, dem als Versorgungsspannungen die Spannung
an der Hilfsbetriebewicklung über die Klemmen 8 und 9 sowie eine unwesentlichen
starre Hilfsspannung von z. B. 24 V über die Klemmen 10 und 11 zugeführt 'werden.
Die den Steuerblock 7 beeinflussende Größe wird diesem über die Klemmen 12 und 13
zugeführt.
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Zur Erzeugung der von der Belastung der Fahrmotorstromkreise abhräagwgen
Meßspannung, die über die Klemmen 12 und 13 dem Steuerblock 7 zugeführt wird, dient
eine Kombination von Wärmefühlern 15 bis 17, die im vorliegenden Fall als Heißleiter
ausgebildet sind, die an einer Hilfsspannung, hier an 24 V Gleichspannung liegen.
Für den Fall, daß der Spannungsabfall am Widerstand 14 für die Aussteuerung des
Steuerblockes 7 nicht ausreicht, ist es vorteilhaft, den dann notwendigen Verstärker
unter Verwendung eines galvanom°agnetischen Elementes, vorzugsweise unter Verwendung
eines magnetfeldabhängigen Widerstandes aufzubauen, dessen magnetische Durchflutung
von einer in Serie mit der Kombination der hier verwendeten Heißleiter liegenden
Erregerwicklung erzeugt wird. Von den als Wärmefühler verwendeten Heißleitern ist
der Heißleiter 15 ein sogenannter Anlaßheißleiter, dessen Widerstandswert bei Anlegen
der Hilfsspannung, d. h. nach Schließen des Schalters 18 nach einer Zeitfunktion
abnimmt. In dem Maße, wie der Widerstand des Anlaßheißleiters 15 kleiner wird, erhöhen
sich der Strom in dem Widerstand 14 und die Spannung in diesem Widerstand bzw. an
den Klemmen 12 und 13. Die Höhe der Spannung an den Klemmen 12 und 13 stellt aber
gleichzeitig ein Maß für die Aussteuerung der steuerbaren Halbleiterelemente 4 c
und 4 d dar, so daß bei geeigneter Bemessung der Steuereinrichtung das Anlassen
des Kollektormotors 3 ohne Vorwiderstand nur durch eine zeitabhängig sich vergrößernde
Aussteuerung der steuerbaren Halbleiterelemente 4 c und 4 d möglich ist.
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In Serie zu dem Anlaßheißleiter 15 liegt eine Parallelschaltung der
Heißleiter 16 und 17, von denen der Heißleiter 16 die Umgebungstemperatur berücksichtigt
und der Heißleiter 17 als fremdgeheizter Heißleiter die Belastung der zu kühlenden
Fahrstromkreise unter Verwendung eines Stromwandlers 20 nachbildet. Zur Anpassung
des fremdgeheizten Heißleiters an den Stromwandler 20 ist hier noch ein Widerstand
19 vorgesehen.
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Bei einer Umgebungstemperatur, die über den Werten liegt, für die
:die Belüftungseinrichtung ausgelegt ist, bzw. bei Auftreten von Fahrmotorströmen,
die eine intensive Kühlung des Fahrmotors erforderlich machen, wird der Widerstand
in dem Kompensationsheißleiter bzw. in dem fremdgeheizten Heißleiter herabgesetzt
und dadurch eine weitere Erhöhung des Stromes im Widerstand 14 erzielt. Diese Stromerhöhung
bedeutet nun wieder eine Erhöhung der Meßspannung an den Klemmen 12 und 13 und eine
abermals erhöhte Aussteuerung der Gleichrichterelemente 4 c und 4 d. Hierdurch wird
dem Lüftermotor 3 eine Spannung zugeführt, durch die für den Fahrmotor 1 eine ausreichende
Belüftung gewährleistet wird, so daß die Wicklungstemperatur des Fahrmotors nicht
über das zulässige Maß hinaus ansteigen kann.
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Eine wesentliche Verbesserung dieser Erfindung ist nun noch dadurch
zu erzielen, daß ein weiterer Heißleiter ebenfalls in Serie zu dem Anlaßheißleiter
15 in demAbluftkanal des Lüfters 2 hinter dem Fahrmotor 1 angeordnet ist. An Stelle
eines weiteren Heißleiitters im Abluftkanal des Fahrmotors 1 können natürlich auch
Heißleiter verwendet werden, die innerhalb der besonders gefährdeten Wicklungsteile
des zu kühlenden Fahrmotors 1 angeordnet sind. Durch eine solcheErweiterung dererfindungsgemäßen
Einrichtung wird deren Regelgenauigkeit erheblich verbessert, so daß die zulässige
Grenztemperatur in dem zu kühlenden Gerät mit einem Minimum an Hilfsbetriebeleistung
erreicht werden kann.
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Durch die Wahl einer geeigneten Zeitkonstante des Heißleiters 17 bzw.
des ganzen Steuer- bzw. Regelkreises läßt sich eine gewünschte Nachkühlung der Geräte
im Anschluß an eine vorangegangene hohe Belastung während eines nachfolgenden Schwachlastbetriebes
erreichen.
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Die vorstehend für den Betrieb von Lüftermotoren auf elektrischen
Triebfahrzeugen beschriebene
Einrichtung läßt sich selbstverständlich
auch für den Betrieb von fremdbelüfteten Antriebsmotoren beliebiger Verwendung und
für Generatoren einsetzen.