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Einrichtung zur elektrischen Stromversorgung von Schienenfahrzeugen
mit einem mit dem Fahrmotor gekuppelten Wechselstromgenerator Die Erfindung betrifft
eine Einrichtung zur elektrischen Stromversorgung von mittels Brennkraftmaschinen
angetriebenen Schienenfahrzeugen, insbesondere zur Speisung der elektrischen Heizungs-
und Klimaanlage mit einer Wechselspannung konstanter Frequenz, mit einem mit dem
Fahrmotor gekuppelten Wechselstromgenerator, der mit einem Wechselstrom konstanter
Frequenz erregt ist, dessen Wicklungen mehrere elektrische Ventilgruppen nachgeschaltet
sind.
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Die Beheizung von Reisezugwagen erfolgte, solange als Triebfahrzeuge
nur Dampflokomotiven zur Verfügung standen, ausschließlich mit Dampf. Nach teilweiser
Einführung des elektrischen Zugbetriebes wurden die meisten Reisezugwagen mit einem
elektrischen Heizungssystem zusätzlich ausgerüstet. Neue Reisezugwagen sind heute
von vornherein mit einem elektrischen und einem Dampfheizungssystem ausgerüstet,
wodurch erhöhte Kosten für die Beschaffung und eine Vergrößerung des Gewichtes entstehen.
Nachdem, bedingt durch die schlechte Wirtschaftlichkeit, Dampflokomotiven in den
nächsten Jahren zum Verschwinden kommen werden, ist die Frage akut, ob in Zukunft
zwei Heizungssysteme in Reisezugwagen beizubehalten sind. Dieseltriebfahrzeuge sind
heute mit einer Einrichtung zur Dampferzeugung für die Speisung der vorhandenen
Dampfheizungsanlagen in den Reisezugwagen ausgerüstet. Ziel der laufenden Entwicklung
muß es jedenfalls sein, auch bei der Dieselzugförderung ohne ein zusätzliches Dampfheizungssystem
auszukommen.
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Es ist bereits bekannt, in Dieseltriebwagen durch einen Generator
mit besonderem Dieselmotor die für die Beheizung erforderliche elektrische Energie
zu erzeugen und diese den in dem Wagen eingebauten elektrischen Heizungskörpern
zuzuleiten. Bei solchen Fahrzeugen ist die Anzahl der zu beheizenden Wagen im allgemeinen
nicht sehr groß. Bei Lokomotiven rnuß eine solche Stromversorgungsanlage für die
maximale Anzahl der zu befördernden Wagen ausgelegt sein. Bei einer leichten Universallokomotive,
die maximal 10 Reisezugwagen ziehen kann, ergibt sich z. B. eine Leistung von etwa
400 kW. Diese Leistung muß, wenn man auf einen besonderen Dieselmotor für den Antrieb
des Heizungsgenerators verzichten will, von dem Fahrdieselmotor zusätzlich aufgebracht
werden. Dieser Forderung kommt die Tatsache entgegen, daß bei fallender Lufttemperatur,
also bei steigendem Luftgewicht pro Volumeinheit, die Leistung eines Dieselmotors
ansteigt, so daß die erforderliche zusätzliche Leistung, die etwa 25:% der normalerweise
für die Aufbringung der Zugkraft erforderliehen Leistung betragen kann, aufgebracht
werden kann.
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An und für sich könnte man annehmen, daß man für die Wahl des Stromsystems
der Heizung freie Hand hat. Man muß jedoch auf das vorhandene, mit elektrischen
Heizungseinrichtungen ausgerüstete Wagenmaterial Rücksicht nehmen. Die elektrischen
Heizungseinrichtungen der nur für den deutschen Inlandsverkehr bestimmten Reisezugwagen
sind nämlich nur für eine Frequenz von 162/s Hz und eine Spannung von
1000 V benutzbar, da die Spulen der Steuereinrichtung und Relais nur für
diese Frequenz ausgelegt sind. Außerdem sind die Leitungen in den Wagen meist einpolig
in Eisenrohren verlegt, so daß bereits bei einer Frequenz von beispielsweise 50
Hz durch das den Leiter umgebende magnetische Wechselfeld in diesen Rohren erhebliche
Verluste entstehen würden. Damit liegt für den Heizgenerator die Frequenz von 162/s
Hz bereits fest. Größere Schwankungen der Frequenz können ebenfalls mit Rücksicht
auf die Steuereinrichtungen nicht zugelassen werden, obwohl die Drehzahl des Dieselmotors
zwischen Fahrbetrieb und Leerlauf im Verhältnis 1:2 schwanken kann.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht also in der Schaffung einer Stromversorgungsanlage
mit einer konstanten Frequenz, insbesondere der deutschen Bahnfrequenz von 162/s
Hz, deren Generator von einer Antriebsmaschine mit stark schwankender Drehzahl angetrieben
wird.
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Die gestellte Aufgabe läßt sich mit einem Einphasenwechselstrom-Kollektor-Generator
erfüllen. Eine solche Maschine weist jedoch ein erhebliches Gewicht auf, und der
Kollektor erfordert eine beträchtliche Wartungsarbeit.
Es ist war
bereits eine insbesondere für Luftfahrzeuge bestimmte Stromversorgungseinrichtung
bekannt, die aus einem von einer Brennkraftmaschine angetriebenen Synchrongenerator
besteht, bei dem dessen Erregerwicklung durch eine in einem Oszillator erzeugte
Wechselspannung erregt wird (französische Patentschrift 1266 058). Die Drehzahl
des Antriebsmotors dieser bekannten Einrichtung liegt sehr hoch, so daß sich bei
zweipoliger Ausführung des Generators bei einer Erregung mit Gleichstrom eine Spannung
relativ hoher Frequenz ergeben würde. Um eine Spannung niedrigerer Frequenz zu erhalten,
als sich bei normaler Gleichstromerregung ergeben würde, und ein Reduziergetriebe
zwischen Antriebsmotor und Synchrongenerator zu vermeiden, wird der Generator mit
einer in einem Oszillator erzeugten Wechselspannung konstanter Frequenz erregt.
An den Generatorklemmen ergibt sich dann eine Wechselspannung hoher Frequenz, deren
Amplitude sich über der Zeit mit einer der Oszillatorgruppen proportionalen Frequenz
ändert, d. h., es ergibt sich eine Hüllkurve mit einer der Oszillatorfrequenz proportionalen
Frequenz, wenn man die Maximalwerte der Spannung der hohen Frequenz verbindet. Die
Spannung mit dieser Mischfrequenz wird einem Filter zugeführt, in dem die hohen
Frequenzen ausgefiltert werden, so daß sich am Filterausgang eine Spannung mit einer
der Oszillatorfrequenz proportionalen Frequenz ergibt, die wesentlich niedriger
ist, als die erwähnte hohe Frequenz. Ein solcher Filter erlaubt es jedoch nur, Spannungen
mit einem sehr begrenzten Frequenzbereich aufszufiltern, so daß die gewünschte Wirkung
nur bei einem sehr engen Drehzahlbereich von etwa ± 511/o des Antriebsmotors erreichbar
ist. Abgesehen davon, daß ein solcher Filter bei der dem Gegenstand der Erfindung
erforderlichen elektrischen Leistung von etwa 400 kW sehr groß und teuer würde,
ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung, bei Drehzahlschwankungen
des Antriebsmotors von etwa 1:2 an den Klemmen des angetriebenen Synchrongenerators
eine Spannung von etwa konstanter Frequenz - insbesondere von 162/s Hz - zu erhalten,
durch die bekannte Einrichtung nicht lösbar.
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Eine ähnliche Stromversorgungseinrichtung ist aus der französischen
Patentschrift 1202 442 bekannt. Diese betrifft einen -von einem Antriebsmotors
mit veränderlicher Drehzahl angetriebenen Drehstromgenerator, der eine mit dieser
gekuppelten Drehstromerregermaschine sowie eine elektrische, zu dieser parallelgeschaltete,
von einem getrennten Antriebsmotor mit konstanter Geschwindigkeit angetriebene Drehstromerregermaschine,
die eine Spannung mit einer niedrigeren Frequenz als die der ersten Erregermaschine
erzeugt, aufweist. Das Feld des Synchrongenerators ändert sich dann entsprechend
den beiden überlagerten, aus beiden Erregermaschinen gelieferten Spannungen verschiedener
Frequenz. Es ergibt sich ein Feld, bei dem sich die Feldamplituden der hohen Frequenz
wie bei der oben beschriebenen Anordnung über der Zeit mit der Frequenz der Spannung
der zweiten Erregermaschine ändert. Obwohl sich durch die Induktivität der Erregerwicklung
und der Ständerwicklung eine Schwächung des Einflusses der Erregerspannung hoher
Frequenz ergibt, weist die an der Klemme der Ständerwicklung anstehende Spannung
mit der Frequenz der Erregermaschine 2 einen sehr hohen Oberwellenanteil auf, denn
die Erregung mit der von der mit dem Generator gekuppelten Erregermaschine ergibt
einen sehr großen Oberwellenanteil bei der in der Ständerwicklung induzierten Spannung.
Die an den Klemmen der Ständerwicklung anliegende Spannung ist für ein Netz, dessen
Verbraucher nicht speziell für eine stark oberwellenhaltige Spannung bemessen sind,
praktisch kaum verwertbar. Eine Ausfilterung der Oberwellen ist daher unumgänglich
notwendig, um in dem an dem Netz angeschlossenen Geräten mit nicht ohmscher Charakteristik
eine unzulässige Erwärmung zu vermeiden. Es muß daher eine Filtereinrichtung wie
bei der oben beschriebenen Einrichtung dem Synchrongenerator nachgeschaltet werden,
wobei sich die oben bereits geschilderten Nachteile ergeben. Eine solche Anordnung
ist für größere Leistungen wegen des großen Aufwandes nicht brauchbar und damit
die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe nicht lösbar.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist es dagegen möglich, mit einem
geringen technischen Aufwand ohne zusätzliche Erregermaschine und ohne eine aufwendige
Filtereinrichtung die gestellte Aufgabe zu lösen.
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Es ist ferner eine Einrichtung zur Erzeugung einer Spannung niedriger
Frequenz in der Größenanordnung von etwa 1 Hz zur Speisung der Rührspulen von Elektroschmelzöfen
bekannt (schweizerische Patentschrift 364 032). Diese bekannte Anordnung weist eine
elektrische Induktionsmaschine mit zwei um 90° elektrisch phasenverschobenen Ständerwicklungen
und eine Rotorwicklung, die von einem Wechselstrom erregt ist, auf. Mit der Rotorwelle
sind zwei Kurvenscheiben mechanisch gekuppelt, die jeweils einen Umschalter pro
Umdrehung zweimal so umschalten, daß die Schalter jeweils eine gleiche Zeitspanne
mit einem der beiden gleichstromseitigen Anschlüsse eines Gleichrichters in elektrischer
Verbindung stehen. Jeder der beiden Gleichrichter ist mit seinen wechselstromseitigen
Anschlüssen an eine der beiden Ständerwicklungen der erwähnten elektrischen Induktionsmaschine
angeschlossen. Die Umschalter dienen dazu, die Polarität der Spannung an den Klemmen
der Gleichrichter umzuschalten. Da die Gleichrichter jeweils eine pulsierende Gleichspannung
liefern, wird bei einer im Stromnulldurchgang stattfindenden Umschaltung eine Wechselspannung
mit einer der Erregerfrequenz des Rotors der Induktionsmaschine proportionalen Wechselspannung
erzeugt. Diese Anordnung kann aber nur arbeiten, wenn der Antrieb der Induktionsmaschine
mit einer Drehzahl erfolgt, die in einem bestimmten Verhältnis zur Erregerfrequenz
des Rotors steht. Bei einem Antrieb der Induktionsmaschine mit einer veränderlichen
Drehzahl fällt die Anordnung außer Tritt, und die pulsierende Gleichspannung wird
nicht im Spannungsnulldurchgang umgeschaltet, so daß - unter der Voraussetzung,
daß der Umschalter die fließenden Ströme abschalten könnte - sich eine Spannung
abweichender Frequenz mit starkem Oberwellenanteil und einer unkontrollierbaren
Kurvenform ergibt. Diese bekannte Anordnung ist also zur Erzeugung eines Wechselstromes
konstanter Frequenz bei veränderlicher Drehzahl der Antriebsmaschine nicht verwendbar.
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Weiterhin ist aus der französischen Patentschrift 1035 969 eine Anordnung
zur Erzeugung einer Spannung veränderlicher Frequenz bekannt. Bei dieser Anordnung
wird ein Induktor einer Induktionsmaschine mit einer relativ hohen Frequenz von
z. B.
400 bis 500 Hz erregt. Im Ständer der Induktionsmaschine wird
dabei eine Wechselspannung hoher Frequenz induziert, deren Amplituden sich mit einer
Frequenz, die proportional der Drehzahl des Induktors ist, über der Zeit verändert.
Bei einer Änderung der Drehzahl des Antriebsmotors ändert sich die Frequenz der
Schwingung der Hüllkurve der induzierten Spannung. Die im Ständer induzierte Spannung
wird in einem dieser nachgeschalteten Gleichrichter gleichgerichtet. Am Ausgang
des Gleichrichters ergibt sich eine pulsierende Gleichspannung, die mit einer der
Drehzahl des Antriebsmotors proportionalen Frequenz pulsiert. Diese pulsierende
Gleichspannung wird durch einen jeweils im Spannungsnullpunkt kommutierenden, vom
gleichen Antriebsmotor angetriebenen Kollektor in eine Wechselspannung mit einer
der Drehzahl des Antriebsmotors proportionalen Frequenz umgeformt. Auch bei dieser
bekannten Anordnung ist die Erzeugung einer Wechselspannung konstanter, relativ
niedriger Frequenz mittels eines mit stark veränderlicher Drehzahl angetriebenen
Generators nicht möglich.
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Die genannten Nachteile lassen sich gemäß der Erfindung dadurch vermeiden,
daß die vom Generator erzeugte, mit der konstanten Erregerfrequenz modulierte Spannung
wesentlich höherer veränderlicher Frequenz durch in getrennten Stromkreisen angeordneten
Einweg-Gleichrichter-Ventilgruppen gleichgerichtet wird und jede der beiden entstandenen
Halbwellenspannungen einer besonderen nachgeschalteten gesteuerten Ventilgruppe
zugeführt wird, die jeweils mittels einer der Erregerfrequenz des Generators gleichen
oder proportionalen Frequenz so gesteuert ist, daß jeweils eine der Ventilgruppen
während der Dauer einer Halbwelle gesperrt, während die andere stromdurchlässig
ist, und daß während der Dauer der nächsten Halbwelle der Spannung der Erregerfrequenz
die eine Ventilgruppe stromdurchlässig und die andere gesperrt ist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Rotor des als Mehrphasengenerator,
insbesondere als Drehstromsynchrongenerator ausgebildeten Generators geblecht ausgeführt,
und die ungesteuerten Ventilgruppen sind in Mehrphasenbrückenschaltung, insbesondere
in Drehstrombrückenschaltung geschaltet.
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Ein Ausführungsbeispiel der Anordnung nach der Erfindung ist in den
Zeichnungen dargestellt und im folgenden näher erläutert. Es zeigen F i g. 1 bis
3 Diagramme der an verschiedenen Stellen der Stromversorgungseinrichtung auftretenden
Spannungen in Abhängigkeit von der Zeit, F i g. 4 eine Schaltung der Stromversorgungseinrichtung.
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Der Wechselstromgenerator bzw. Drehstromsynchrongenerator 5 ist für
eine Frequenz ausgelegt, die bei der höchsten Drehzahl des Dieselmotors gegenüber
der Erregerfrequenz relativ groß ist (z. B. Generatorfrequenz 100 Hz, Erregerfrequenz
16'-'/3 Hz). Zur Erzeugung des Erregerstromes für den Wechselstromgenerator kann
ein Synchrongenerator, der von i einem aus der Fahrzeugbatterie gespeisten Gleichstrommotor
angetrieben wird, dienen. Mit Rücksicht auf die Erregung des Synchrongenerators
durch eine Wechselspannung ist es zweckmäßig, den Rotor des Synchrongenerators geblecht
auszubilden. Bedingt i durch die Erregung des Wechselstromgenerators mit einem Wechselstrom
niedriger Frequenz ändern sich die Augenblickswerte der im Ständer induzierten Spannung
des Drehstromsystems im gleichen Rhythmus zwischen Null und einem Maximalwert. Es
erfolgt damit eine Modulation der Drehstromspannung, wie dies in der F i g. 1 der
Zeichnung dargestellt ist, mit der Erregerfrequenz. Diese modulierte Drehstromspannung
wird zwei ungesteuerten Ventilgruppen mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung zugeführt
und gleichgerichtet. Am Ausgang jeder der beiden Ventilgruppen liegt dann eine von
einer Wechselspannung überlagerte Gleichspannung an bzw. eine Halbwellenspannung,
wie sie in der F i g. 2 der Zeichnung dargestellt ist. Die beiden Ventilgruppen
sind dabei so geschaltet, daß in der einen Gruppe eine positive Spannung entsteht,
während am Ausgang der zweiten Gruppe die gleiche Spannung mit negativen Vorzeichen
ansteht. Den beiden ungesteuerten Ventilgruppen sind zwei gesteuerte Ventilgruppen
nachgeschaltet. Die Steuerung dieser beiden Ventilgruppen ist so gestaltet, daß
jeweils während der Zeitdauer einer Halbwelle der Erregerfrequenz eine vom Nullwert
über einen Maximalwert bis zum nächsten Nullwert sich ändernde positive Gleichspannung
aus der einen gesteuerten Ventilgruppe und anschließend für die gleiche Zeitdauer
eine negative Spannung aus der zweiten Ventilgruppe dem Verbraucher zugeführt wird.
An den Klemmen des Verbrauchers liegt damit eine Wechselspannung an, die unabhängig
von der Drehzahl des Hauptdieselmotors bzw. der Generatorfrequenz ist und die gleiche
Frequenz wie die Erregerspannung aufweist.
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In der F i g. 4 der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Stromversorgungseinrichtung
gemäß der Erfindung dargestellt. Mit 1 ist eine Stromquelle, die eine Akkumulatorenbatterie
oder ein von einer Brennkraftmaschine angetriebener Hilfsgenerator sein kann, bezeichnet.
2 ist die Regeleinrichtung, die zwecks Beeinflussung der Spannung des Synchrongenerators
5 die Spannung der Erregermaschine 4 regelt und gegebenenfalls die Drehzahl des
Antriebsmotors 3 konstant hält. Mit 6 ist der Fahrzeugdieselmotor und mit 5 der
mit diesem gekuppelte Mehrphasensynchrongenerator bezeichnet. Der Generator 5 ist
im Ausführungsbeispiel als Drehstromgenerator ausgeführt und von dem Wechselstromgenerator
4 mit einer Frequenz von 16-/s Hz erregt.
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Die in dem Generator 5 induzierte Spannung, deren Kurvenform in F
i g. 1 dargestellt ist, wird den beiden ungesteuerten Ventilgruppen 7 und
8 zugeführt, die im Ausführungsbeispiel in Drehstrom-Brückenschaltung geschaltet
sind, und dort gleichgerichtet. Am Ausgang der Ventilgruppe 7 liegt dann eine Spannung
an, die aus zusammengesetzten Gleichstrompulsen besteht und deren Kurvenform in
der F i g. 2 dargestellt ist. Die Ventilgruppe 8 ist so geschaltet, daß sich an
deren Ausgang eine entsprechende, zur Nulllinie spiegelbildlich symmetrische Spannung
ergibt.
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Die mit einer Frequenz von 2 - 16=/s Hz pulsierende Gleichspannung
der Ventilgruppe 7 wird einer gesteuerten Ventilgruppe 9 zugeführt. Die Steuerung
dieser Ventilgruppe erfolgt durch eine Steuereinrichtung 11 so, daß bei jedem zweiten
Puls der positiven Gleichspannung, also zwischen zwei Nullwerten, das Ventil gesperrt
ist. Am Ausgang der Ventilgruppe 9 ergibt sich damit eine Reihe von positiven Gleichstrompulsen,
deren Abstand gleich der Pulslänge ist. Die Ventilgruppe 10 wird ebenfalls von der
Steuereinrichtung 11 gesteuert, und zwar so, daß während der Freigabe der Ventilgruppe
9 die Ventilgruppe 10
gesperrt ist. Am Ausgang der Ventilgruppe
10 liegt dann eine Reihe von negativen Gleichstrompulsen an, deren Pulslänge
und Abstände gleich sind. Zwischen zwei positiven Pulsen der Ventilgruppe 9 liegt
also jeweils ein negativer Gleichstrompuls der Gruppe 10. Die Steuereinrichtung
ist ferner in einer bei Umrichtern bekannten Weise so ausgebildet, daß die Stromversorgungseinrichtung
auch in erforderlichem Umfang Blindstrom liefern kann.
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Bei einer Parallelschaltung der beiden Ausgänge der Ventilgruppen
9 und 10 und des Verbrauchers 12 ergibt sich dann eine Wechselspannung mit der Frequenz
der Erregerspannung des Wechselstromgenerators 5, also eine Frequenz von 162/s Hz.
Selbstverständlich enthält diese Spannung neben weiteren durch den Gleichrichtevorgang
bedingte Oberwellen noch als Oberwelle die eigentlich durch die Polzahl und die
Drehzahl des Synchrongenerators 5 gegebene Frequenz. Der Anteil dieser Oberwelle
an der Grundwelle ist allerdings so gering, daß er bei den zu speisenden, im wesentlichen
ohmschen Verbrauchern nicht störend ist.