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Einrichtung zur Regelung von Gleichstrommotoren mit gemischter Erregung
für den Antrieb von elektrischen Triebfahrzeugen Bei elektrischen Lokomotiven, z.
B. bei schweren Grubenlokomotiven (Abraumlokomotiven), werden die verschiedensten
Anforderungen an die Steuerung gestellt, wodurch sich im allgemeinen eine verwickelte
Ausbildung der Schaltausrüstung ergibt. Häufig wird bei solchen Triebfahrzeugen
neben den üblichen Anf orderungen an die Steuerung verlangt, daß beim Bremsen und
gegebenenfalls auch beim Fahren mit kleiner Geschwindigkeit (Verholen) die Fahrmotoren
statt eines Reihenschlußverhaltens ein Nebenschlußverhalten aufweisen. Weiter ergibt
sich unter Umständen die Notwendigkeit, insbesondere bei der Bremsung eine Begrenzung
der Spannung an den Fahrmotoren zu erzielen. Beim Bremsen, insbesondere bei der
Nutzbremsung, können sich bei solchen Lokomotiven, wenn die Fahrmotoren konstant
erregt werden, sehr hohe Spannungen an den Fahrmotoren ergeben, so daß die Einschaltung
der Bremse Schwierigkeiten verursacht und übermäßig hohe Stromstöße zur Folge haben
kann. Weiter können sich bei Stromrichterlekomotiven ebenfalls bei der Nutzbremsung
erhebliche Schwierigkeiten einstellen, weil bei solchen Lokomotiven, bei denen die
mit Gleichstrom betriebenen Fahrmotoren bei der Nutzbremsung Energie über eine Wechselrichterschaltung
und einen Regeltransformator an das Fahrleitungsnetz abgeben, die Fahrmotorenspannung
einerseits durch die oberste Transformatorstufe und - hinsichtlich des Aussteuerungswinkels
der Zündimpulse für die verwendeten Stromrichtergefäße - durch die erforderliche
Sicherheit gegen ein »Kippen« dieser Gefäße im Wechselrichterbetrieb, andererseits
auch durch die Begrenzung des höchstzulässigen Bremsstoßes beim Zuschalten der Nutzbremse
eindeutig feststeht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Regelung
von Gleichstrommotoren mit gemischter Erregung für den Antrieb von elektrischen
Triebfahrzeugen zu schaffen, bei denen wenigstens ein Teil der Erregung von einer
Haupterregermaschine geliefert wird.
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Nach der Erfindung wird vorgeschlagen, daß diese Haupterregermaschine
neben einer von der Richtung und der Größe des Ankerstromes der Fahrmotoren abhängigen
Erregung zusätzlich eine von der Fahrgeschwindigkeit abhängige, von einer besonderen
Hilfserregermaschine gelieferte Erregung erhält, die erst bei überschreitung einer
bestimmten Spannung dieser Hilfserregermaschine wirksam wird. Vorzugsweise erhält
hierbei die Haupterregermaschine eine konstante, aber willkürlich abschaltbare Grunderregung.
In vorteilhafter Weise ist beim Fahrbetrieb die Wirkung der fahrgeschwindigkeitsabhängig
erregten Feldwicklung der Haupterregermaschine der Wirkung der fahrstromabhängig
erregten Feldwicklung entgegengerichtet, so daß mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit
eine Feldschwächung der Fahrmotoren herbeigeführt wird. Beim Bremsbetrieb dagegen
hebt die fahrgeschwindigkeitsabhängige Gegenerregung der Haupterregermaschine deren
fest einstellbare Grunderregung teilweise auf, wodurch eine Spannungsbegrenzung
an den Fahrmotoren bei höherer Fahrgeschwindigkeit herbeigeführt wird. Insbesondere
verläuft die Gegenerregung der Haupterregermaschine nach einer solchen Knickkennlinie,
daß die Wirkung der Gegenerregerwicklung erst oberhalb eines Schwellwertes bei Erreichung
einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit einsetzt.
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Nach der weiteren Ausgestaltung der Einrichtung nach der Erfindung
wird ferner beim Betrieb der Fahrmotoren mit überwiegender Nebenschlußerregung,
beim Bremsen oder Verholen, die fahrmotorstromabhängig gespeiste Erregerwicklung
der Fahrmotoren-Erregermaschine dazu herangezogen, in der
Haupterregermaschine
eine zur Aufhebung der Wirkung der Hauptstromwicklungen der Fahrmotoren geeignete
Erregerstromkomponente zu erzeugen.
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Nachfolgend soll die Einrichtung nach der Erfindung an Hand eines
Ausführungsbeispieles näher erläutert werden, das sich auf eine Gleichrichterlokomotive
mit vier Fahrmotoren bezieht.
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Fig. 1 der Zeichnung gibt das Schaltschema dieser Lokomotive wieder.
1 sind die Fahrmotoren, die mit den Hauptstrom-Feldwicklungen 1 a sowie den fremdgespeisten
Feldwicklungen 1 b versehen sind. Die Feldwicklungen 1 a bzw. 1 b sind in der Regel
so ausgelegt, daß der Anteil der fremdgespeisten Feldwicklungen 1 b überwiegt. Mit
1 c sind die den Fahrmotoren 1 zugeordneten Wendepol- und Kompensationswicklungen
bezeichnet. Je zwei Fahrmotoren 1 werden gruppenweise unter Parallelschaltung ihrer
Anker über die gittergesteuerten Gleichrichtergruppen 2 und 3 gespeist. Der Anschluß
an die Fahrleitungsspannung erfolgt über den Stufenregeltransformator 5, von dessen
Hochspannungswicklung 5 a der Zwischenwicklung 5 b eine stufenweise regelbare Spannung
zugeführt wird. 5 c sind die beiden zueinander parallel arbeitenden Zweige der Niederspannungswicklung,
an die die Gleichrichtergruppen 2 und 3 bzw. die Rückleitungen 6 der Fahrmotoren-Stromkreise
angeschlossen sind. In die Rückleitungen 6 sind die Schnellschalter 7 sowie Glättungsdrosselspulen
S und Strombegrenzungswiderstände 9 eingeschaltet.
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10 ist eine allen Fahrmotoren gemeinsame Haupterregermaschine, an
deren Anker, z. B. in Reihenschaltung, die fremdgespeisten Feldwicklungen 1 b der
Fahrmotoren 1 angeschlossen sind. Die Haupterregermaschine 10, die durch einen über
den Stufenregeltransformator 5 an das Fahrleitungsnetz angeschlossenen, in Fig.
1 nicht dargestellten Einphasenhilfsmotor angetrieben werden kann, weist drei Erregerwicklungen
10 a, 10 b und 10 c auf. Die Erregerwicklung
10a kann beim Bremsen durch den Schaltkontakt 11a an eine Sammlerbatterie
12 oder an eine sonstige Stromquelle von im wesentlichen gleichbleibender Spannung
angeschlossen werden. Diese Erregerwicklung liefert im Bremsbetrieb die Grunderregung
der Haupterregermaschine 10.
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Die Erregerwicklung 10 b wird vom Anker einer Hilfserregermaschine
13 gespeist. Diese Speisung erfolgt im Bremsbetrieb über die Sperrzelle 14; im Fahrbetrieb
kann die Sperrzelle 14 durch einen Schaltkontakt 11 b überbrückt werden. Die I-Elfserregermaschine
13 hat zwei Erregerwicklungen 13 a und 13 b. Die eine Erregerwicklung 13
a wird proportional der Geschwindigkeit der Fahrmotoren bzw. der Spannung
an den Fahrmotoren 1 erregt, während die andere Erregerwicklung 13 b an eine konstante
Spannung, beispielsweise an die Spannung der vorerwähnten Sammlerbatterie 12, über
einen Schaltkontakt 11c angeschlossen ist. Die Hiffserregermaschine 13 wird dabei
mit konstanter Drehzahl, z. B. durch einen über den Stufenregeltransformator 5 gespeisten,
in Fig. 1 nicht dargestellten Asynchronmotor angetrieben. Die Wirkungsweise der
Schaltung beruht nun darauf, daß die Erregerwicklungen 13 a und 13 b einander entgegenwirken.
Solange im Bremsbetrieb bei kleinen Fahrgeschwindigkeiten die Wirkung der Erregerwicklung
13 b überwiegt, ist die Polarität der Hilfserregermaschine 13 die gleiche wie beim
Fahren. Indessen tritt ein Erregerstrom in der Erregerwicklung 10 b nicht
auf, da dies durch die Sperrzelle 14 verhindert wird. Mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit
steigt nun die Wirkung der Erregerwicklung 13 a an, bis sie schließlich die der
Erregerwicklung 13 b überwiegt. Infolgedessen kehrt sich die Spannung der Hilfserregermaschine
13 um, und es tritt nunmehr, wie die ausgezogenen Pfeile an den Erregerwicklungen
10 a bis 10 c andeuten, in der Erregerwicklung 10 b ein Erregerstrom
auf, wodurch die von der Erregerwicklung 10 a hervorgerufene Grunderregung
der Haupterregermaschine 10 geschwächt wird.
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Soll, wie oben angedeutet, die Erregerwicklung 13 a proportional der
Spannung an den Fahrmotorenankern erregt werden, so wird die Erregerwicklung 13
a der Hilfserregermaschine 13 an einen Teil 17 a des ohmschen Spannungsteilers 17
angeschlossen, der parallel zu einer Reihenschaltung, bestehend aus der Hauptstrom-Feldwicklung
l a, dem Anker sowie der Wendepol- und Kompensationswicklung eines Fahrmotors
1, liegt. Durch Umschaltkontakte 17c und 17d kann unter Umständen noch eine Regelung
der an die Erregerwicklung 13a angelegten Spannung herbeigeführt werden. Vorteilhafterweise
ist die Erregerwicklung 13 a mit der nahezu Erdpotential aufweisenden Zuleitung
15 bzw. mit einem Punkt des ohmschen Spannungsteilers 17 mit von dem Erdpotential
nur wenig abweichendem Potential verbunden. Dies hat den Vorteil, daß die Hilfserregermaschine
13 nicht für die hohe Fahrdrahtspannung isoliert zu werden braucht.
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Die Haupterregermaschine 10 weist noch die Erregerwicklung 10c auf,
die in Abhängigkeit vom Ankerstrom der Fahrmotoren 1 erregt werden kann. Hierzu
ist die Erregerwicklung 10c an den aus den beiden Widerständen 20 a und 20 b bestehenden
umschaltbaren Nebenwiderstand 20 angeschlossen. Zur Umschaltung dienen die beiden
Schalter 21 und 22. Ist der Schalter 21 beim Fahren geschlossen, so liegt die Erregerwicklung
10 c, mit der noch der Widerstand 20 b in Reihe geschaltet ist, parallel
zu dem Widerstand 20 a. Ist dagegen beim Bremsen der Schalter 22 geschlossen
und der Schalter 21 geöffnet, so ist die Erregerwicklung 10 c, mit der noch
der Widerstand 20 a in Reihe geschaltet ist, dem Widerstand 20 b parallel geschaltet.
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Die angegebene Umschaltung der Erregerwicklung ermöglicht, im Brems-
bzw. Fahrbetrieb die Erregung der Erregerwicklung 10 c zu ändern, wobei Umschaltungen
nur in dem Hauptstrom führenden Stromkreis erfolgen, so daß also durch Schalthandlungen
in dem Erregerstromkreis die ohnehin sehr kleine treibende Spannung durch Übergangswiderstände
weder verändert noch gefälscht werden kann. Im Fahrbetrieb wird, nachdem der Schaltkontakt
11a geöffnet und der Schaltkontakt 11 b geschlossen worden ist, durch die Erregerwicklung
10 c eine Erregung der Haupterregermaschine 10 in dem Sinne herbeigeführt, daß die
von ihr gelieferte Erregerspannung und damit auch der die fremdgespeisten Feldwicklungen
1 b der Fahrmotoren 1 durchfließende Strom sich proportional dem Ankerstrom der
Fahrmotoren ändern. Hierdurch wird eine mittelbare Reihenschlußerregung der Fahrmotoren
bewirkt, die von der unmittelbaren Reihenschlußerregung durch die Hauptstrom-Feldwicklungen
1 a noch unterstützt wird. Im Fahrbetrieb ist - wie bereits angedeutet - die batteriegespeiste
Erregerwicklung 10 a ausgeschaltet.
Im Bremsbetrieb, bei dem eine
Umkehr des Erregerstromes der Fahrmotoren eintritt, wirkt dagegen die fahrmotorstromabhängige
Erregung der Erregerwicklung 10c im umgekehrten Sinne. Bei entsprechender Bemessung
der als Nebenschluß- bzw. Vorschaltwiderstand dienenden Widerstände 20a und 20b
kann nach der weiteren Erfindung erreicht werden, daß durch die Erregerwicklung
10 c in der Haupterregermaschine 10 eine Erregerstromkomponente hervorgerufen wird,
die entweder teilweise oder ganz die Wirkung der Hauptstrom-Feldwicklungen l a der
Fahrmotoren 1 aufhebt. Praktisch bedeutet dies, daß trotz Einschaltung der Hauptstrom-Feldwicklung
bei der Bremsung des Triebfahrzeuges entweder angenähert oder vollständig ein Nebenschlußverhalten
der Fahrmotoren erreichbar ist.
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Grundsätzlich kann bei entsprechenden Umschaltungen der Widerstände
20 a und 20 b sowie bei Einschaltung der fremdgespeisten Erregerwicklung 10a die
gleiche Wirkung auch beim Verholbetrieb von Abraumlokomotiven herbeigeführt werden,
bei dem bekanntlich die Fahrmotoren mit reiner Nebenschlußerregung bei kleinen Fahrgeschwindigkeiten
betrieben werden.
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Die bei der Einrichtung nach der Erfindung vorhandene fahrgeschwindigkeitsabhängig
erregte Hilfserregermaschine 13 kann nach der weiteren Erfindung auch beim Fahren
ausgenutzt werden, um eine Feldschwächung der Fahrmotoren zu bewirken. Wie durch
die gestrichelt eingezeichneten Pfeile in dem Schaltschema der Fig. I zu erkennen
ist, wirkt die Erregerwicklung 10 b, die an den Klemmen der fahrgeschwindigkeitsabhängig
erregten Hilfserregermaschine 13 liegt, der fahrstromabhängig gespeisten Erregerwicklung
10c entgegen. Da nun die Spannung der Hilfserregermaschine ? 3 in Abhängigkeit von
der Spannung an den Fahrmotoren bzw. abhängig vor der Fahrgeschwindigkeit (Drehzahl)
ansteigt, ergibt sich, daß mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit die Wirkung der Erregerwicklung
10 b erheblich zunimmt und infolgedessen beim Fahrbetrieb eine Feldschwächung der
sowohl unmittelbar als auch mittelbar hauptstromerregten Fahrmotoren herbeiführt.
Die Schaltung hat den großen Vorteil, daß ohne äußeren Schaltvorgang eine wirksame
Feldschwächung der Fahrmotoren erreicht werden kann. Schwere Nebenschlußwiderstände
zu den Feldwicklungen, Schalter hierfür u. dgl. fallen also fort.
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Fig. 2 gibt einen Ausschnitt einer geänderten Schaltung der Haupterregermaschine
10 bzw. der Hilfserregermaschine 33 wieder.
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Bei dieser Schaltung ist die Hilfserregermaschine 33 lediglich mit
einer fahrgeschwindigkeitsabhängig erregten Erregerwicklung 33a versehen. Der Anker
33b der Hilfserregermaschine 33 ist jedoch im Bremsbetrieb mit der Sammlerbatterie
32, die die Grunderregung der Haupterregermaschine 10 liefert. in Reihe geschaltet
und wirkt ihr entgegen. Außerdem ist in dem Stromkreis noch eine Sperrzelle 34 vorhanden.
die im Fahrbetrieb gemeinsam mit der mit ihr in Reihe liegenden Sammlerbatterie
32 durch den Schalter 35 überbrückt wird. Die Wirkungsweise dieser Schaltung beruht
darauf, daß bei kleineren Fahrgeschwindigkeiten die Spannung am Anker 33 b kleiner
ist als die Spannung an der Sammlerbatterie 32, so daß infolge der Wirkung der Sperrzelle
34 ein Erregerstrom in der Erregerwicklung 10b noch nicht auftreten kann. Erst wenn
die Spannung am Anker 33 b die Spannung an der Sammlerbatterie 32 überwiegt, tritt
ein Erregerstrom auf und damit, beginnend bei einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit,
eine Verminderung der Spannung der Haupterregermaschine 10 und eine Schwächung der
Erregung der Fahrmotoren.
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In Fig. 3 ist die Wirkungsweise der Einrichtung nach der Erfindung
in einem Diagramm veranschaulicht, in dem für den Bremsbetrieb in Abhängigkeit von
der Fahrgeschwindigkeit v die wirksamen Feld-Amperewindungen 0, der magnetische
Fluß h und die EMK E für die Fahrmotoren 1 aufgetragen sind. Infolge der konstanten
Erregung durch die Sammlerbatterie 12 sind, wie die Figur erkennen läßt, bis zu
einer Fahrgeschwindigkeit von etwa 32,5 km/h die Feld-Amperewindungen 0 konstant,
wenn angenommen wird, daß die Gegenverbundwirkung der Reihenschlußwicklung der Fahrmotoren
in der Haupterregermaschine durch die kompoundierende Wicklung voll aufgehoben wird.
Mit höherer Fahrgeschwindigkeit kommt nunmehr die Zusatzerregung bzw. Gegenerregung
durch die Hilfserregermaschine 13 zur Geltung, wodurch entsprechend der Kennlinie
der Hilfserregermaschine 13 ein starker Abfall der wirksamen Feld-Amperewindungen
H eintritt. Fig. 3 zeigt die Feldkuive 0 - i (v), die der Kurve 0 = f (v) im wesentlichen
ähnlich ist, jedoch unter dem Einfluß der Sättigung der Fahrmotoren eine geringfügige
Änderung in der Form erfährt.
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Die dritte Kennlinie schließlich gibt die in den Fahrmotoren 1 induzierte
EMK E wieder. Die tatsächlich erzielbare Kurve ist ausgezogen wiedergegeben, während
mit gestrichelter Linie die theoretische Grenzkurve angedeutet ist, die sich bei
Begrenzung der Spannung an den Fahrmotoren auf einen konstanten Wert, beginnend
von einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit an, ergibt.
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In Einzelheiten kann die beschriebene Schaltung selbstverständlich
abgeändert werden. Ohne wesentliche Änderung ist die Anwendung der Einrichtung nach
der Erfindung auch dann möglich, wenn die Speisung der Fahrmotoren über einen Maschinenumformer
erfolgt, der an das Fahrleitungsnetz angeschlossen ist. Ebenso kann die Einrichtung
nach der Erfindung auch bei unmittelbarem Anschluß der Fahrmotoren an ein Gleichstrom-Fahrleitungsnetz
verwendet werden.
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Weiter kann grundsätzlich der Erfindungsgedanke in allen denjenigen
Fällen angewendet werden, in denen es darauf ankommt, bei höheren Fahrgeschwindigkeiten
eine Spannungs- und damit Leistungsbegrenzung zu erzielen. Beispielsweise kann die
Einrichtung nach der Erfindung bei Widerstandsbremsschaltungen von Triebfahrzeugen
vorgesehen werden. Ferner ist die Anwendung der Einrichtung nach der Erfindung auch
bei Generatorschaltungen, z. B. von Umformerlokomotiven oder wärmeelektrischen Lokomotiven,
möglich, wo die den Fahrmotoren zugeführte Spannung und Leistung begrenzt wird.
Selbstverständlich ist es auch möglich, die Schaltung in etwas anderer Form so auszuführen,
daß statt der Verwendung nur einer Haupterregermaschine 10 jedem der Fahrmotoren
1 eine besondere Erregermaschine zugeordnet wird. Eine solche Schaltung böte auch
die Möglichkeit, ohne weiteres noch andere Regelanforderungen zu erfüllen, beispielsweise
eine Anpassung der Drehmomente an die Achsdrücke.