DE178978C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Die Erfindung betrifft das an sich bekannte Stromverteilungssystem für elektrische Bahnen, bei welchem die Strecke mit Einphasenwechselstrom gespeist wird, der auf dem· Fahrzeuge auf mechanischem Wege in Mehrphasenwechselstrom zum Betriebe der Antriebsinduktionsmotoren umgewandelt wird. Die Erfindung besteht darin, daß für die Umformung des Einphasenwechselstromes

ίο Mehrphasenwechselstromgeneratoren verwendet werden, welche in an sich ebenfalls bekannter Weise so ausgebildet sind, daß die Frequenz des erzeugten Wechselstromes bei . gleichbleibender Frequenz des Streckeneinphasenstromes, also auch bei gleichbleibender Drehgeschwindigkeit des Umformersatzes, in bestimmten Stufen geändert werden kann, um vor allen Dingen das Anlassen der Antriebsinduktionsmotoren, die bei der allmählichen Einführung des elektrischen Betriebes auf Vollbahnen immer leistungsfähiger gebaut werden müssen, also bezüglich des Anlassens immer mehr Schwierigkeiten bieten, zu erleichtern.

Gleichzeitig wird durch diese Anordnung der Vorteil erzielt, daß die Rückgewinnung des Stromes, der von den' Antriebsinduktionsmotoren beim Freilauf, also beim Bergabfahren, erzeugt wird, unter Verwendung der Frequenzänderung innerhalb weiter Grenzen ermöglicht wird, was unter geeigneten Verhältnissen von großer Wichtigkeit ist und erhebliche Ersparnisse veranlaßt.

Das Stromverteilungssystem gemäß der Erfindung kann auch dahin ausgebildet werden, daß die Betriebsstrecke in Abteilungen zerlegt ist, von welchen die eine, beispielsweise auf Landstraßen, direkt mit der Einphasenstromquelle verbunden ist, die andere, beispielsweise in der Stadt, aber unter Zwischenschaltung einer Streckenumformerstation den niedrig gespannten Mehrphasenstrom den Fahrzeugmotoren . unter Umgehung der Umformerstation im) Fahrzeuge zuführt.

Die - Erfindung ist auf der Zeichnung zur Veranschaulichung gekommen, und zwar zeigt Fig. ι eine schematische Darstellung der gesamten Schaltanordnung und Fig. 2 die Anordnung der ' Stromumwandlungs- und · Steuerapparate auf dem Motorfahrzeuge.

Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß das System in zwei Teile A und B zerfällt, von welchen A der Landstraßenteil, der beispielsweise mit 20 000 Volt betrieben wird, und B den Stadtteil für eine Spannung von etwa 500 Volt darstellt. 5 ist ein Einphasenstromerzeuger, dessen Pole mit den Hauptverteilungsleitungen 6 und 7 verbunden sind. Um den Strom aus diesen Leitungen in die Abteilung^ zu bringen, werden Zweigleitungen 8 und 9 benutzt.· Von diesen Leitungen kann 8 als Arbeitsleitung benutzt werden und 9 mit der oder den Schienen 10 als Rückleitung verbunden sein. Um der Abteilung B Strom zuzuführen, wird der Einphasenstrom vom Generator 5 zunächst der Umformerstation X

zugeführt, wo er zum Antriebe eines Einphasenmotors C dient, der durch mechanische Verbindung, beispielsweise durch eine Welle, den Läufer eines Mehrphasenstromerzeugersi? dreht, dessen Stromphasen über die Zweigleitungen 11,12,13 den Schienen 10,14,15 zugeführt werden. An Stelle eines rotierenden Umformers auf der Transformatorstation X kann auch ein ruhender Transformator irgend einer geeigneten Konstruktion benutzt werden, welcher den vom Stromerzeuger 5 kommenden Strom in einen Mehrphasenstrom niedrigerer Spannung zur Benutzung in dem· Stadtteile B umwandelt. Auf den Schienen beider Abteilungen laufen Motorfahrzeuge E. Jedes Fahrzeug ist mit einem Stromabnehmer 16 auf dem Dache des Wagens und mit drei Gleitkontakten 17, 18, ig versehen, die unterhalb des Fahrzeuges ange-

ordnet sind. Im Landstraßenteile A steh!: die Stange 16 mit dem Arbeitsleiter 8 und der Gleitkontakt 17 mit der Schiene 10 in Kontakt. Im Stadtteile B wird die Stromabnehmerstange 16 dagegen nicht benutzt, während die drei Gleitkontakte 17, i8, 19 auf den Schienen 10, 14, 15 schleifen.

Auf dem Motorfahrzeuge E sind Mehrphasenmotoren F angeordnet, deren Läufer 21 (Fig. 2) direkt mit den Achsen des Fahrzeuges ohne Zwischenschaltung von Getrieben gekuppelt sind, während die feststehenden Teile 20 entweder an Achsbüchsen des Fahrzeuges oder an dessen Rahmengestell befestigt sind. Es ist bekannt, daß Mehrphasenmotoren keinerlei Kommutatoren, Kollektoren, Ringe oder Bürsten benötigen und daß sie bei jeder Geschwindigkeit und bei ganz bedeutender Uberbelastung ohne Gefahr laufen können.

.40 Aus vorstehendem ist ersichtlich, daß der der Landstraßenabteilung A zugeführte Strom ein Einphasenstrom, der der Stadtabteilung B zugeführte Strom dagegen ein durch die Umformerstation aus Einphasenstrom umgeformter Mehrphasenstrom ist. Um daher die Motorfahrzeuge mittels der Mehrphasenstrommotoren auch in dem Landstraßenteile A zu bewegen, ist es notwendig, daß jedes Fahrzeug mit einer Einrichtung zur Umwandlung des direkt durch die Leitungen 8, 9 der Abteilung zugeführten Einphasenstromes in einen Mehrphasenstrom versehen ist. Die Einrichtung, welche für diesen Zweck auf den Fahrzeugen ■ zur Benutzung kommt, ist im· wesentlichen die gleiche wie auf der Station X. Die auf den Fahrzeugen zur Anwendung kommende Einrichtung ist am besten aus Fig. 2 ersichtlich und besteht zunächst aus einem Einphasenmotor C, dessen Ständer 22' mit den Polen eines Schalters 23' verbunden ist, durch welche er in den Stromkreis der vom Hauptgenerator 5 kommenden Leitungen 6, 7 eingeschaltet wird, und zwar über den Stromabnehmer 16 und Gleitkontakt 17. Der Läufer 24' dieses Motors C sitzt auf einer Achse 25', und seine PpIe sind einerseits mit den Polen der Gleichstromdynamo G', die eine Feldmagnetspule H' besitzt, andererseits mit dem Pole einer Batterie /' verbunden. Des weiteren gelangt ein Mehrphasenstromerzeuger D' zur Anwendung, dessen Ständer 26' mit den Zweigleitungen ii', 12', 13' verbunden ist, welche nach den Polen des Schalters 57' führen. Der Läufer 27' dieses Generators sitzt gleichfalls auf der Achse 25' und seine Pole sind durch Bürsten und Kollektorringe mit den Polen der Gleichstromdynamo G' verbunden, die für den Motor C und den Mehrphasenstromerzeuger D' als Erreger dient.

Der Läufer 27 des Generators D in Fig. 1 (Umformerstation) ist mit zwei Kollektorringen 28 und 29 und zwei Bürsten 30 und 31, der Läufer 27' in Fig. 2 (Fahrzeug) dagegen mit vier Kollektorringen 28', 29', 32', 33' und vier Bürsten 30', 31', 34', 35' versehen. Diese Vergrößerung der Anzahl von Kollektorringen und Bürsten hat den Zweck, die Frequenz der den Mehrphasenmotoren F zugeführten Mehrphasenströme im Vergleiche zu dem vom Hauptstromerzeuger 5 kommenden Einphasenstrome zu verändern und so eine Veränderung in der Geschwindigkeit der Motoren zu erzielen, ohne hiermit eine Geschwindigkeitsveränderung für den Läufer 27' des Generators D' auf dem Fahrzeuge zu bedingen.

Die hinsichtlich der Frequenzänderung mittels der beschriebenen Einrichtung zu berücksichtigenden theoretischen Erwägungen sind folgende: Wenn angenommen wird, daß die Frequenz des Einphasenwechselstromes, der dem Motor C zugeführt wird, 25 Perioden in der Sekunde, d. h. 3000 Polwechsel in der Minute beträgt, so beträgt die synchrone Geschwindigkeit des vierpoligen Läufers 24' des Motors 750 Umdrehungen pro Minute. Wenn man weiter berücksichtigt, daß der Läufer 27' des Mehrphasengenerators D' mechanisch durch die Welle 25' mit dem Läufer des Motors C verbunden ist, so ist ersichtlich, daß der Generator dieselbe Geschwindigkeit haben muß. Daher muß, wenn die vier Pole des Läufers 27' des Generators D' so angeordnet sind, daß ihre Polarität bei der Drehung Nord-Süd-Nord-Süd ist, der vom Generator gelieferte Strom gleichfalls 25 Perioden besitzen, oder mit anderen Worten, die Frequenz des vom Generator D' gelieferten Stromes ist die gleiche wie diejenige des Stromerzeugers5, welche dem Motor C zugeführt wird. Wenn jedoch der vierpolige Läufer 27' des Generators D' mit. vier Kollektorringen und mit

vier Bürsten ausgerüstet ist und ein Paar der Pole mit einem, Paar der Kollektorringe, das andere Polpaar mit dem anderen Paar der Kollektorringe und ein Paar der Bürsten, z. B. 34', 35', direkt mit den Polen der kleinen Erregerdynamo G' und das andere Paar "der Bürsten, z. B. 30', 31', indirekt mit den Polen der kleinen Dynamo G' über einen Doppelschalter 36 verbunden ist, so müssen, wenn sich der Schalter in der in Fig. 2 gezeichneten Stellung befindet, die Bürsten 30', 31' von dem Erregerstromkreise Strom nach den Kollektorringen 28', 29' für zwei der Pole in einer bestimmten Richtung zuführen, welche, wie angenommen werden soll, eine Drehung der Pole des Läufers 27' vom Generator D' im Sinne Nord-Süd-Nord-Süd veranlaßt. Wenn jedoch der Schalter 36 sich in der oberen Stellung befindet, so werden die mit den Kollektorringen¹ 28', 29' in Verbindung stehenden Pole gewechselt und die Drehung der Pole des Läufers 27' erfolgt im Sinne Nord-Nord-Süd-Süd, so daß der Läufer des Generators D' aus einem vierpoligen in einen zweipoligen Drehkörper umgewandelt wird, was zur Folge hat, daß der Generator Strom erzeugt von der halben Frequenz, d. h. von 12V₂ Perioden {1500 Wechsel). Es ist ja an sich bekannt, daß durch die Anordnung einer geeigneten Anzahl Pole am Läufer 27' des Generators D' und eine geeignete Anzahl von Kollektorringen und Bürste^¹ mit zweckmäßigen Polwechselschaltern eine große Anzahl von Veränderungen in der Frequenz der Ströme, die vom Generator D' erzeugt werden, erzielt werden kann, wobei der Läufer 24' des Motors C mit einer konstanten Geschwindigkeit angetrieben wird. In vorstehendem ist die Einrichtung zur Verringerung der Frequenz der dem sekundären Verteilungssysteme zu liefernden Ströme beschrieben worden. Es ist jedoch ohne weiteres klar, daß auch ähnliche Apparate zur Vergrößerung der Frequenz benutzt werden können. Für die Einschaltung kommen Schalter 37', ■ 38', 39' und Regulierwiderstände 40', 41', 42', 43' zur Benutzung.

Wie schon früher erwähnt, entsprechen die in der Streckenumformerstation X benutzten Apparate denjenigen auf den Fahrzeugen.

Um den von der Station X gelieferten Strom zu steuern (abgesehen von der gegebenenfalls auch beim Generator D zu treffenden Einrichtung zwecks Änderung der Frequenz oder Wechsel des erzeugten Stromes), sind Widerstände 40, 41, 42, 43 vorgesehen, die in irgend einer geeigneten Weise geändert werden können.

Um nun in dem Stadtteile B, für welchen die Umformeranlage im Fahrzeuge außer Betrieb gesetzt ist, also auch die Frequenzänderung dieser Anlage zur Regelung der Geschwindigkeit in Wegfall kommt, eine weitere Möglichkeit zur Geschwindigkeitsregelung zu haben, ist in dem Fahrzeuge eine Einrichtung R (Fig. 2) vorgesehen, welche wiederum auf dem Landstraßenteile A außer Betrieb gesetzt ist. Diese Einrichtung besteht aus einer Reihe fester Spulen 44, in welchen bewegliche Eisenkerne 45 angeordnet sind. An den oberen Enden dieser Kerne ist ein Glied 46 ^befestigt, das drehbar mit einem Winkelhebel 47 in Verbindung steht, an welchem ein Handgriff 48 befestigt ist, um den Hebel über einen Sektor 49 zu führen und ihn durch Zapfen oder andere Mittel 50 in irgend einer geeigneten Stellung festzuhalten. Unterhalb der Kerne 45 befindet sich eine Reihe von Platten P und unter diesen eine Anzahl Kontakte'51 bis 56, von denen 51, 52, 53 mit den Schienen 17, 18, 19 und 54, 55, 56 mit den unteren Polen des Hauptdoppelschalters 57' verbunden sind. Die mittleren Pole (Drehachsen) dieses Schalters sind mit den oberen und unteren Polen eines Wendeschalters 58 verbunden, wobei die Schaltplatten dieses Schalters über die Leitungen 59,60,61 mit den Ständern 20 der Motoren F in Verbindung stehen.

Die Wirkungsweise des ganzen Systems ist nun folgende:

Der Landstraßenteil A erhält den Arbeitsstrom direkt über die Leitungen 6 und 7 bezw. 10 von dem Hauptstromerzeuger 5, während der Stadtteil B den Arbeitsstrom über die Umformerstation X erhält. Daher ist es zunächst notwendig, die Apparate in der Station X in Tätigkeit zu setzen, um dem Stadtteile B Strom zuzuleiten. Dies geschieht in folgender Weise: Der Schalter 37 (Fig. 1) wird bei offenem Hauptschalter 23 geschlossen. Dies veranlaßt, daß Strom aus der Akkumulatorenbatterie / durch Anker und Feld der kleinen Gleichstromdynamo G geht, so daß diese jetzt als Motor wirkt und die Welle 25 und damit die Läufer 24, 27 des Motors C und Mehrphasenstromerzeugers D antreibt. Wenn der Motor C synchron mit dem Hauptstromerzeuger 5 läuft, wird der Schalter 38 geschlossen und hierdurch veranlaßt, daß Strom aus der Akkumulatorenbatterie / durch die Wickelung des Läufers 24 des Motors C geht und diesen erregt. Sobald die Spannung des Motors -C derjenigen des Hauptgenerators 5 entspricht, wird der Hauptschalter 23 geschlossen, wodurch der Ständer 22 des Motors C mit den Leitungen 6, 7 verbunden wird. Von diesem Zeitpunkte an wird der Motor C direkt durch Strom vom Hauptstromerzeuger 5 als synchronlaufender Einphasenmotor betrieben, während die Gleich-Strommaschine G jetzt als Generator wirkt und Gleichstrom zur. Erregung liefert, Der

Schalter 37 wird nunmehr geöffnet, 39 dagegen geschlossen. Der Motor C treibt den Mehrphasengenerator D an. Gleichzeitig dient die kleine Gleichstromdynamo G als Erreger sowohl für den Läufer 24 des Motors C als auch für den Läufer 27 des Mehrphasengenerators D. Sobald der Mehrphasengenerator D in .Tätigkeit ist, ist dieser in der Lage, den Schienen 10, 14, 15 des Stadtteiles B

Strom zu übermitteln. _s

Die Steuerung der Motorfahrzeuge in den Teilen A und B geschieht in folgender Weise, wobei zu berücksichtigen ist, daß die Apparate auf jedem Fahrzeuge mit derjenigen der Station X im wesentlichen identisch sind.

Was zunächst den Landstraßenteil A anbetrifft, so ist aus dem linken Teile der Fig. I ersichtlich, daß sich der Schalter 57 in seiner oberen Stellung befindet, mit anderen Worten in einer Stellung, in welcher der von dem Mehrphasengenerator D' ■ erzeugte Strom direkt unter Ausschaltung der Regelungsvorrichtung R in die Mehrphasenmotoren F fließt. Um das Fahrzeug in Gang zu bringen, wird der Motor C und die Generatoren D' und G' zunächst von der Akkumulatorenbatterie /' (Fig. 2) in Gang gesetzt (in derselben Weise wie auf der Umformerstation X), worauf der Schalter 39/ (Fig. 2) geschlossen wird, durch welchen ein schwacher Gleichstrom von dem Anker des Gleichstromgenerators G' durch den Läufer 27' des Mehrphasengenerators D' fließt. Durch die. Wirkung dieses Gleichstromes in den Wickelungen des Läufers 27' wird in den Wickelungen des Ständers 26' eine niedrige Spannung induziert und die Ströme werden durch die Leiter ii', 12', 13', Hauptschalter 57' und Wendeschalter 58 den Wickelungen der Ständer 20 der Mehrphasenmotoren F zugeführt, so daß eine Bewegung der Läufer 21 und damit eine Bewegung des Fahrzeuges erzielt wird.

Wenn der von den feststehenden Wickelungen 26' des Mehrphasengenerators D' gelieferte Strom (auf dem. Fahrzeuge E bezw. 26 und D auf der Station X) nicht genügt, um ein Fahrzeug in Bewegung zu bringen, so kann der dem Läufer 27' (bezw. 27) zugeführte Erregerstrom durch Verringerung des mit den Wickelungen in Reihe liegenden Widerstandes 43' (bezw. 43) verändert werden, wodurch der dem Ständer 20 des Motors F zugeführte Strom stufenweise vergrößert wird, bis er genügend stark ist, um die Anfahrt des Fahrzeuges zu bewirken. Die Bewegungsrichtung des Zuges kann durch Wenden der Stellung des Schalters 58, der seinerseits die Richtung des nach dem Motor F fließenden Stromes wendet, geändert werden.

Außer der zur Geschwindigkeitsregelung benutzten Rheostate 43' kann auch, wie schon beschrieben, eine Veränderung in der Geschwindigkeit der Antriebsmotoren und eine Vergrößerung des Anfahrdrehmomentes durch Umstellung des Schalters 36 und dadurch bewirkte Veränderung der Frequenz der von dem Generator D' gelieferten Mehrphasenströme erzielt werden.

Hinsichtlich des Stadtteiles B ist folgendes zu bemerken: .

Sobald ein Fahrzeug einen Teil des Schienenweges befährt, auf welchem die vom Hauptgenerator 5 gelieferte hohe Stromspannung mit Sicherheit nicht benutzt werden kann, wird der Motor C und der Mehrphasengenerator D' auf jedem Fahrzeuge entkuppelt und angehalten. Die Stellung des Hauptschalters 57 wird dann geändert, und zwar aus der auf der linken Seite der Fig. 1 gezeigten Stellung in diejenige auf der rechten Seite der Fig. 1 und in Fig. 2 gezeigte Stellung, mit anderen Worten, durch Umlegen des Schalters von der oberen in die untere Lage. Nimmt der Schalter 57 die in Fig. 2 gezeigte Stellung ein, so sind die Kontaktschuhe 17, 18, 19 über die Spulen 44 der Regelungsvorrichtung R mit den Arbeitsleitungen 59, 60, 61 und durch diese mit den Ständern 20 der Motoren F in Verbindung. Soll hierbei ein Fahrzeug in Bewegung gebracht werden, so wird der Handgriff 48 schrittweise nach links bewegt. Durch die Bewegung dieses Handgriffes gehen die Eisenkerne 45 nach abwärts aus den SoIenoiden 44 heraus, wodurch die Reaktanz der Solenoide.44 verringert wird und stärkerer Strom von den Schienen 10, 14, 15 durch die Gleitkontakte 17, 18, 19 nach den Ständern 20 der Mehrphasenmotoren F fließen kann. Soll die Geschwindigkeit vergrößert werden, so wird der Handgriff 48 auf die äußerste Stellung nach links gebracht, wodurch die Platten P am unteren Ende der Kerne 45 die Kontakte 51 mit 54, 52 mit 55 und 53 mit 56 verbinden und so die Spulen 44 aus dem Stromkreise schalten, so daß der volle Strom aus den Schienen 10, 14, 15 in die ^Motoren F fließt. Außer dieser Vorrichtung zur Regelung des aus den Schienen 10, 14, 15 zufließenden Stromes, die von irgend einer geeigneten Konstruktion zur Zwischenschaltung von Widerstand oder gegen elektromotorischer Kraft sein kann, können auch noch Mittel zur Einschaltung von- Anlaßwiderständen in die Wickelungen der Läufer 21 der Motoren F zur Benutzung kommen.

Aus vorstehendem ergibt sich, daß das Kontrollsystem in jedem Teile des Leitungssystems alle Motoren steuert, die mit den Leitungen 59, 60, 61 verbunden sind, so daß also ein sogenanntes Zugsteuerungssystem entsteht.

Die Läufer 21 der Motoren F sind direkt

auf den Achsen der Fahrzeuge angeordnet, so daß, wenn diese frei laufen, z. B. in Gefällen die Motoren F Mehrphasengeneratoren werden, während die Mehrphasengeneratoren D' oder D ein Motor, der Motor C oder C dagegen ein Generator wird, so daß der Strom des letzteren gleichfalls in die Leitungen 6 und 7 geschickt wird und hier den Strom verstärkt. Dieser Zustand währt so

ίο lange, bis die Läufer 21 etwas über der synchronen Geschwindigkeit laufen. Wenn dann auf der Landstraßenstrecke A D' auf halbe Frequenz gestellt wird, so sind die Motoren auch dann noch imstande, Strom in die Leitungen zurückzuschicken.

Claims (3)

1. Patent;-An Sprüche:

   i. Stromverteilungssystem für elekirische Bahnen, bei welchem die Strecke mit Einphasenwechselstrom gespeist wird, der auf dem Fahrzeuge auf mechanischem Wege in Mehrphasenwechselstrom zum Betriebe der Äntriebsinduktionsmotoren umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrphasengeneratoren (D') in den Fahrzeugumformerstationen bezüglich ihrer Pole und Schleifringe in an sich bekannter W^reise so ausgebildet sind,, daß die Frequenz des erzeugten Mehrphasenstromes ''bei gleichbleibender Frequenz des Streckeneinphasenstromes, also auch bei gleichbleibender Drehgeschwindigkeit des Umformers, in bestimmten Stufen geändert werden kann, zum Zwecke, neben anderen Vorteilen das Anlassen der Induktionsmotoren (F) zu erleichtern.
2. 2. Stromverteilungssystem nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Einrichtungen der Motorfahrzeuge (E) Umschaltvorrichtungen besitzen, durch welche die Fahrzeugumformerstationen außer Betrieb gesetzt und die Arbeitsleitungen der Antriebsinduktionsmotoren (F) über eine Streckenumformerstation (X) an die Einphasenstreckenleitung (6,7) angeschlossen werden können, zum Zwecke, die Fahrzeuge (E). auf Landstraßenteilen (A) mit hochgespanntem Strome und auf Stadtteilen mit niedrig gespanntem Strome betreiben zu können.
3. 3. Stromverteilungssystem nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrphasengeneratoren der Umformerstationen bezüglich ihrer wirksamen Pole in an sich bekannter Weise so ausgebildet sind, daß unter Benutzung der stufenweisen Frequenzänderung der bei Freilauf, der Fahrzeuge durch die Antriebsinduktionsmotoren erzeugte Strom innerhalb weiter Grenzen zurückgewonnen werden kann.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.