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Niederspannungssteuerung für Einphasenwechselstrom-Triebfahrzeuge
Bei Niederspannungssteuerungen für Einphasenwechselstrom-Triebfahrzeuge wird den
Fahrmotoren eine Spannung veränderlicher Größe zugeführt, die der Sekundärwicklung
eines Einphasen-Stelltransformators entnommen wird. Hierzu ist die Sekundärwicklung
mit einer entsprechenden Zahl von Anzapfungen versehen, von denen die Spannung mit
Hilfe eines Stufenschaltwerkes abgenommen wird. Der Übergang von einer Stufe auf
die nächste soll ohne Stromunterbrechung vor sich gehen. Hierzu sind in an sich
bekannter Weise die aufeinanderfolgenden Anzapfungen wechselweise an zwei Sammelschienen
angeschlossen, die durch eine Schaltdrosselspule miteinander verbunden sind. Von
einer Mittelanzapfung dieser Schaltdrosselspule wird der Fahrmotorstrom abgenommen.
Dabei kann die Anordnung so getroffen sein, daß die einzelnen Anzapfungen des Stelltransformators
durch stromlos schaltende Stufenschalter eingeschaltet werden, während Lastschalter
in der Zuführung zu der Schaltdrosselspule die eigentliche Schaltarbeit übernehmen.
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Mit dieser Steuerung sind gewisse Nachteile verbunden. Die Schaltdrosselspule
verursacht nämlich Überspannungen von mitunter unangenehmer Höhe, und außerdem werden
die Lastschalter durch den hohen Einschaltstromstoß der Schaltdrosselspule zusätzlich
hoch belastet. Da die Lastschalter, namentlich bei Triebwagen mit nicht allzu großen
Haltestellenabständen, sehr oft betätigt werden und bei jeder Anfahrt sehr hohe
Ströme zu schalten haben, ist der Verschleiß der Kontaktstücke sehr hoch, und ihre
Instandhaltung erfordert große Wartungskosten.
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Es sei darauf hingewiesen, daß in Gleichstromnetzen Zellenschalter
für Akkumulatoren bereits mit Haupt- und einer Hilfsbürste ausgeführt wurden. Die
Hilfsbürste hält während des Umschaltens der zu- oder abzuschaltenden Zellen den
Lade- oder Entladestrom aufrecht. Bei solchen Anordnungen wurde in die Verbindungsleitung
zwischen Haupt und Hilfsbürste ein Sperrventil so eingeschaltet, daß ein Entladestrom
zwischen den zu- oder abzuschaltenden Zellen zwar nicht auftreten konnte, der umzuschaltende
Lade- oder Entladestrom in Durchlaßrichtung des Ventils jedoch auch während des
Schaltvorganges aufrechtzuerhalten blieb.
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Der Einbau von Sperrventilen in nur einen Strompfad eines Abzweiges
ist ausschließlich für Gleichstrom ausreichend. Er würde bei Wechselstrom erstens
kein lichtbogenfreies öffnen der Hauptkontakte für eine Stufenschaltung ermöglichen
und zweitens einen Kurzschlußstrom zwischen zwei - ohne Leistungsunterbrechung zu
schaltenden -Stufen nicht verhindern können. Dieser Anordnung fehlen somit jegliche
technischen Voraussetzungen für die Aufstellung eines Schaltprogramms, in dessen
Verlauf eine Stufenschaltung ohne Leistungsunterbrechung durchgeführt werden kann.
Darüber hinaus erweist sich auch nicht die vielleicht naheliegende Maßnahme als
ausreichend, lediglich zusätzlich in dem zweiten Strompfad der Abzweigung ein Sperrventil
einzubauen, sondern es bedarf für eine Stufenschaltung ohne Leistungsunterbrechung
weiterer Maßnahmen, z. B. der Verwendung einer zweiten Sammelschiene und weiterer
Ventile sowie der Festlegung einer bestimmten Schaltfolge.
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Die Erfindung betrifft eine Niederspannungssteuerung für Einphasenwechselstrom-Triebfahrzeuge,
bei der die Spannung für die Wechselstrom-Fahrmotoren den Anzapfungen auf der Sekundärseite
eines Einphasen-Stelltransformators entnommen wird. Nach der Erfindung wird der
Übergang von einer Anzapfung zur nächsten mit Hilfe von Gleichrichtern vorgenommen,
die den die Umschaltung ausführenden Schaltern so vorgeschaltet sind, daß die Schalter
von lückendem Gleichstrom in jeweils entgegengesetztem Sinn durchflossen werden.
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Es ist bereits eine Anordnung mit einem Einphasen-Stelltransformator
bekanntgeworden, bei dem der Übergang von einer Anzapfung zur nächsten mit Hilfe
von Gleichrichtern vorgenommen wird, die den die Umschaltung ausführenden Schaltern
so vorgeschaltet sind, daß die Schalter von lückendem Gleichstrom durchflossen werden.
Bei dieser bekannten Anordnung wird dem Verbraucher Gleichstrom zugeführt. Demgemäß
sind die Gleichrichter gleichsinnig angeordnet, so daß die sie durchfließenden lückenden
Gleichströme immer die gleiche Richtung haben. Bei dem Gegenstand der Erfindung
handelt es sich demgegenüber um eine Steuerung, bei
der den Verbrauchern
Einphasenwechselstrom zugeführt wird. Die eine Halbwelle des Wechselstromes wird
dem Verbraucher über den einen Gleichrichter zugeführt, während die andere Halbwelle
über den zweiten Gleichrichter fließt. Die beiden lückenden Gleichströme ergänzen
sich im Verbraucher wieder zu einem Wechselstrom.
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Wesentlich für die Niederspannungssteuerung nach der Erfindung ist
es, daß wegen des lückenden Gleichstromes die den Gleichrichtern nachgeschalteten
Schalter genügend Zeit haben, um mit Sicherheit während der stromlosen Pause ohne
Schaltfeuer zu öffnen. Die vorzusehenden Gleichrichter brauchen vorteilhafterweise
lediglich für die Stufenspannung des Einphasen-Stelltransformators ausgelegt zu
sein. Daher ist es bei der Niederspannungssteuerung nach der Erfindung möglich,
mit gegenüber bekannten Anordnungen wesentlich weniger Mitteln - es entfällt z.
B. auch die Schaltdrosselspule - ein Überschalten der Anzapfungen des Einphasen-Stelltransformators
vorzunehmen, ohne daß hierbei an den Schaltkontakten die schädlichen Einflüsse des
Lichtbogens und einer Stoffwanderung eintreten.
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In F i g. 1 der Zeichnung ist die Grundschaltung einer Niederspannungssteuerung
nach der Erfindung schematisch dargestellt, während die F i g. 2, 4 und 5 einige
Schaltzustände während des überschaltens von einer Stufe zur nächsten zeigen. Das
Diagramm der F i g. 3 dient zur Erläuterung des Schaltvorganges.
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F i g. 1 zeigt die Sekundärwicklung 1 eines Einphasen-Stelltransformators
mit den Anzapfungen 21, 22, 23 und 24, die natürlich in noch größerer
Zahl vorhanden sein können. Diese Anzapfungen sind wechselweise an zwei Sammelschienen
51 und 52 angeschlossen. In den Zuleitungen von den Transformatoranzapfungen
zu den Sammelschienen 51 und 52 befinden sich Kontaktstellen 31, 32, 33 und
34. Diese Kontaktstellen werden durch Kontaktstücke 41, 42, 43 und
44 nach und nach überbrückt. Die Kontaktstücke 41 bis 44 gehören
zu den hier nicht dargestellten Stufenschaltern und können als Rollenkontakte ausgebildet
sein. Die Schaltung enthält ferner in schematischer Darstellung einen Fahrmotor
6. Dieser Fahrmotor ist einerseits an die eine Endklemme der Sekundärwicklung
1 des Stehtransformators, andererseits an Umschalter 81 und 82 angeschlossen.
Jeder dieser Umschalter kann die Stellungen a und b einnehmen und
dadurch eine Verbindung mit der einen oder der anderen Sammelschiene 51 bzw.
52 herstellen. Vor den festen Kontakten dieser Umschalter liegen jeweils
zueinander gegensinnig geschaltet die Gleichrichter 71,
72, 73 und
74.
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Es sei zunächst angenommen, daß sich der Stufenschalter auf der ersten
Anzapfung 21 befindet, d. h. daß die Spannung U1 eingestellt ist. Die Umschalter
81 und 82 befinden sich beide in der Stellung a, sind also an die
Sammelschiene 51 angeschlossen. Der sich für den Fahrmotorstromkreis ergebende Schaltzustand
ist in F i g. 2 vereinfacht dargestellt. Der Fahrmotor 6 liegt an der Spannung
U1 und nimmt einen Strom auf, der in der einen Halbperiode durch den Gleichrichter
71 und den in F i g. 2 fortgelassenen Umschalter 81, in der anderen Halbperiode
durch den Gleichrichter 72 und den gleichfalls fortgelassenen Umschalter
82 fließt. Der Stromverlauf für diese Schaltung ist in F i g. 3 dargestellt.
Die Umschalter 81 und 82 werden danach abwechselnd von Gleichstromimpulsen von -
je nach der Stellung des Stufenschalters - wechselnder Amplitude durchflossen, und
zwischen je zwei über ein und denselben Gleichrichter und den zugehörigen Umschalter
fließenden Gleichstromimpulsen liegt jeweils eine stromlose Pause von der Zeitdauer
einer Halbperiode.
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Zum Übergang in die nächste Schaltstufe wird der Umschalter 81 stromlos
in die Stellung b gebracht. Dadurch entsteht eine Schaltung, die vereinfacht in
F i g. 4 dargestellt ist. Über den Gleichrichter 72 und den hier wieder fortgelassenen
Umschalter 82 in der Stellung a bleibt der Fahrmotor 6 in der einen
Halbperiode zunächst noch mit der Anzapfung 21 entsprechend der Spannung
U1 verbunden. In der anderen Halbperiode wird der Fahrmotor über den gleichfalls
fortgelassenen Umschalter 81 in der Stellung b und den Gleichrichter 74 sowie die
Sammelschiene 52 mit der Anzapfung 22
verbunden, die der Spannung Ul+du
entspricht. Durch die Gleichrichter 72 und 74 wird verhütet, daß ein Kurzschluß
der Transformatorstufe eintritt. Da der Umschalter 81 stromlos, also ohne Lichtbogen
öffnet, besteht auch keine Gefahr, daß infolge eines Lichtbogens über die Gleichrichter
71 und 74 ein Stufenkurzschluß eingeleitet wird.
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Im weiteren Verlauf des Schaltvorganges wird nun der Umschalter
82, der jetzt ohnehin keinen Strom führt, in die Stellung b umgelegt. Dadurch
wird ein Schaltzustand hergestellt, der vereinfacht in F i g. 5 dargestellt ist.
Der Fahrmotor 6 liegt jetzt über die beiden zueinander gegensinnig parallelgeschalteten
Gleichrichter 73 und 74 an der Spannung U1 + du,
womit der übergang von der
Anzapfung 21 auf die Anzapfung 22 abgeschlossen ist. Der Fahrmotor
6
wird jetzt wieder von einem Wechselstrom durchflossen, dessen Halbwellen
jeweils durch die Gleichrichter 73 und 74 fließen. Sinngemäß vollzieht sich die
Umschaltung auf die noch folgenden Anzapfungen, und zwar in der Weise, daß ein Kontaktstück
an der Kontaktstelle 33 arbeitet.
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Für die angegebene Schaltung können Gleichrichter aller üblichen Bauarten
verwendet werden. Zweckmäßig wird man wegen ihres geringen Gewichtes und Raumbedarfes
Halbleitergleichrichter verwenden. Diese Gleichrichter brauchen nur für eine Sperrspannung
entsprechend der Stufenspannung des Stelltransformators bemessen zu werden. Eine
Schaltdrosselspule wird nicht benötigt. Die Schaltgeräte brauchen keine Einrichtung
zur Lichtbogenlöschung zu besitzen. Für das Umlegen der Umschalter 81 und 82 in
der jeweils stromlosen Pause sind hinreichend genau arbeitende Steuerungen und Schaltmittel,
gegebenenfalls elektronische Schaltmittel, bekannt.