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Fahr- und Bremsschaltanordnung für Antriebsmotoren elektrischer Bahnen
mit Gleichstrombetrieb. Man kennt Dynamotoren mit mehreren Ankerwicklungen sowie
solche mit zwei Wicklungen, die meist für den Antrieb elektrischer Bahnen verwendet
werden, so z. B. zur Verminderung der Leitungsspannung für die Speisung von Hilfsstromkreisen
oder auch, um den Erregerstrom von Serienmotoren zu regeln und ihn auch während
der kurzen Perioden, in denen die Motoren von der Speiseleitung abgeschaltet sind,
auf gleicher Höhe zu halten. Dadurch sollten Übelstände, die sich durch Abschaltungen,
besonders bei Hochspannungen, -zeigen, vermieden werden.
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Es ist auch eine Energierückgewinnung mit Hilfe von Serienmotoren
vorgeschlagen worden, wobei die Motoren durch geeignete: Schaltungen im Augenblick
des Übergangs zur Arbeitsweise als Stromerzeuger in Maschinen mit Fremderregung
oder Nebenschlußerregung umgewandelt werden.
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Die meisten dieser Vorschläge sind jedoch mit derart erheblichen Nachteilen
behaftet, die vor allem in der Umständlichkeit des Schaltungsaufbaues und der Bedienung
erblickt werden, daß sie sich in die Praxis nicht einführen konnten. Es ist insbesondere
bei den bekannten Anordnungen noch darauf hinzuweisen, daß mit ihnen eine Energierückgewinnung
bis zum vollständigen Stillstand des Fahrzeugs nicht möglich ist. Man braucht außerdem
in jedem Fall Widerstände zum Anlassen der Motoren, was den erstrebten Vorteil fast
völlig zunichte macht. Außerdem wird bei dem Bekannten Energie nur nach Vornahme
bestimmter Bedienungshandlungen zurückgewonnen.
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Die Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, eine Fahr-und Bremsschaltanordnung
insbesondere für Antriebsmotoren elektrischer Bahnen zu schaffen, die die genannten
Nachteile nicht aufweist. Die Erfindung besteht in der Vereinigung eines mit mehreren
Wicklungen versehenen Dynamotors mit Verbundmotoren. Bei letzteren ergeben sich
bekanntlich die günstigsten Erregungsbedingungen sowohl wenn sie als Motor als,
auch wenn sie als Dynamo arbeiten, da im ersten Falle die Erregung automatisch mit
der Belastung steigt und im zweiten Falle sich automatisch verringert.
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Die Vereinigung von Dynamotor und Verbundmotoren wird nach der Erfindung-
so ausgestaltet, daß ohne Erregungsänderungen der Motoren selbst und ohne Zwischenschaltung
von
Widerständen Arbeitsdiagramme anfallen, die in der Anlaß- und Bremsperiode den von
Serienmotoren nur während des Anlassens gelieferten ähnlich sind.
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Die mit der erwähnten Vereinigung angestrebten Hauptvorteile sind
folgende: i. Die Erzielung einer ausreichenden Anzahl von Spannungen, um den Dynamotor
auch bei Anlagen mit größerer Kraftleistung, besonders für Zugleistungen, verwenden
zu können.
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2. Erzielung einer solchen Verteilung der Spannung der Speiseleitung
unter die verschiedenen Dynamotorwicklungen, daß zwischen den Enden dieser Wicklungen
nie eine größere Spannung herrscht als die halbe Speiseleitungsspannung, wodurch
die Anwendung dieses Systems bei höheren Spannungen erleichtert wird.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht in der Lösung der
Aufgabe, mittels eines vier Kollektoren aufweisenden Dynamotors durch besondere
bauliche Ausgestaltung einen vollkommenen magnetischen Ausgleich. zwischen den Ankerwicklungen
zu erreichen, so daß nicht nur die Ankerrückwirkung, sondern auch die elektromotorische
Gegenkraft während der Kommutation praktisch vernachlässigt werden kann.
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Zu diesem Zweck sind die beiden seitlichen
Es gilt natürlich die Gleichung:
Der Wert von n kann zwischen 4 bis 9 variieren. Innerhalb dieser Grenzen können
verschiedene Kombinationen der Werte Y, s, t aufgestellt werden, derart, daß es
bei Anschluß des Verbrauchsstromkreises zwischen zwei beliebigen Punkten A, B, C,
D, E (Abb. 2) möglich ist, diesem eine Anzahl n verschiedener Spannungen zu erteilen.
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Die hauptsächliche Verwendung der Schaltanordnung ist der Fahrzeugantrieb.
In diesem Falle stehen meist zwei Motorsätze zur Verfügung, die in Serienschaltung
.oder in Nebenschlußschaltung oder auch unabhängig voneinander zwischen zwei Klemmenpaare
A, B, C, D, F, unter denen das gleiche Potentialgefälle herrscht, einzuschalten
sind. Dies ergibt an den Enden jenes Motors eine n-mal größere Anzahl verfügbarer
Spannungen. Die Kollektoren der gebräuchlichen Zweikollektorzusatzdynamos in je
zwei längs der Maschinenachse aufeinanderfolgende Hälften geteilt. An jeden dieser
Teile ist eine getrennte Wicklung angeschlossen, und es ergeben sich demzufolge
vier elektrisch voneinander unabhängige Ankerwicklungen. Jede der vier Wicklungen
besteht aus der gleichen Anzahl Windungen, so daß also jede Nut die gleiche Zahl
von Windungen aus allen Wicklungen aufweist. Die Lamellen sind so angeordnet und
mit den Windungen verbunden, daß die in den gleichen Nuten untergebrachten Winduregen
sich an die in derselben axialen Ebene liegende Lamelle anschließen. Wenn sich demgemäß
die gesamten in einer Nut untergebrachten Amperewindungen ausgleichen, so werden
die Selbstinduktionswirkungen durch die wechselweise Induktion aufgehoben, und somit
wird auch die elektromotorische Gegenkraft während der im gleichen Augenblick stattfindenden
Stromumwendung, d. h. während der Kommutationen, aufgehoben.
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Die obenerwähnten, dauernd in Reihe geschalteten und von der Leitungsspannung
V gespeisten vier Wicklungen nehmen je die in folgender Tabelle angegebenen Spannungen
auf, wobei die Aufstellung von der positiven Klemme der Speiseleitung ausgeht. genaue
Anzahl ergibt sich für jede Kombination. aus der letzten Spalte folgender Aufstellung:
| u-tel von Anzahl der bei Regelung |
| n zweier Motorsätze ver- |
| 5 ' 1- 1 s t fügbaren Spannungen |
| 9 I 3 3 2 14 |
| $ I 4 2 I 12 |
| ö I 3 2 2 I2 |
| 7 I 2 3 I II |
| 7 I 2 2 2 II |
| 6 I z 2 I 9 |
| 6 . I 3 . I I . 9 |
Es sei beispielsweise der Fall herausgegriffen, daß
als Maximalspannung einer einzigen Wicklung ausreicht und an den
Klemmen
eines jeden der zwei im Nebenschluß oder verbunderregten, z. B. eine Lokomotive
o. dgl. antreibenden Motorsätze M" !Y1_. zwölf verschiedene Spannungen verfügbar
sein sollen (Abb. u.
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Es wird dann n = 8 anzunehmen sein, und es sei die zweite in der Aufstellung
angegebene Kombination gewählt, nach der
ist. Wenn die beiden Wicklungen a, a1 nur eine Windung pro Wicklung aufweisen, so
ist die Wicklung b und Wicklung -c mit zwei Windungen versehen (Abb. 3).
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Die- verfügbaren zwölf Spannungen (und somit auch zwölf verschiedene
Normalgeschwindigkeitsstufen, mit denen die Motoren in Reihenfolge laufen können)
sind aus der folgenden Aufstellung, in der auch die Kontakte zwischen den Motoren
und dem Dynamotor berücksichtigt sind, zu entnehmen.
| Geschwindig- Spannungen |
| keiten Kontakte an jeden |
| Motorsatz |
| I X mit D und Y mit E 1 16 l' |
| II X - C - Y - D 216 V |
| III X - C - Y - E 3"z6 L' |
| IV X - B - Y - C 4i6 V |
| V _x - A - Y - C 516v |
| VI X - B - Y - D 646 |
| VII X - B - Y - E 7'16 TT |
| VIII X - A - Y - E 8 16 T' |
| IX H - A - K - C Io I6 V |
| X H - B - K - D 12'16 V |
| XI H - B - K - E 14. 16 L' |
| XII H - A - K - E 1616T] |
Es sei bemerkt, daß sich die elfte Geschwindigkeitsstufe z. B. auch folgendermaßen
erreichen läßt: es werden bei n-n die Kontakte zwischen den zwei Motoren unterbrochen
(Abb. 4.), Hl wird mit A, K1 mit D, H2 mit D und I(2 mit E in Verbindung gebracht,
so daß durch die Enden der Wicklungen a, a1 nicht die Summe, sondern die Differenz
der Komponenten der von den Motoren entnommenen Ströme fließt. Damit erzielt man
eine bedeutende Verminderung der Gesamtbelastung des Dynamotors in einer Stellung,
bei der die Steuerwalze, besonders beim Anlassen, länger verbleibt, weil sie die
Stellung Nebenschluß (12) vorbereiten soll. Ein Ausführungsbeispiel ist in Abb.
2 dargestellt, wobei angenommen ist, daß ein Dynamotor mit vier Wicklungen, deren
Spannungen sich zueinander wie 1 : 4. : 2 : i verhalten, die Spannung zweier Motoren
Ml und M2 regelt. An jede der vier Dynamotorwicklungen sind entsprechend die Serienerregerspulen
Cl, C, C3, C1 geschaltet, die eine Erregung des Dynamotors vermitteln; welche zur
Nebenschlußerregung 3 - o hinzukommt; wenn die entsprechende Wicklung als Motor
wirkt (d. h. Strom aufnimmt) bzw. davon abzuziehen ist, wenn die Wicklung als Dynamo
wirkt (d. h. Strom liefert). Wenn die Maschine als Dynamotor arbeitet, so heben
sich die vier Serienerregungen auf, da die Anzahl der Windungen von cl, c2, c3,
c4 ebenfalls das Verhältnis 1 : 4 : 2 : i aufweist.
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Die vier Erregerwicklungen cl, C, c3, c4 kommen also nur für wenige
Augenblicke zur Wirkung, um das Anfahren der Maschine zu erleichtern sowie während
des Anlassens und im Fall jähen Abfalles der Leitungsspannung.
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In Abb.6 ist R der Anlaßwiderstand des Dynamotors, Aut. der selbsttätige
Schalter, A die Fahrtschaltertrommel, mit der der Widerstand R kurzgeschlossen und
die Schaltungen der Anker 14, 16 bzw. 13, 18 der Motoren und somit die Fahrtrichtung
des Fahrzeugs umgekehrt werden können. Mit 17, 19 bzw. 18, 2o sind die Hauptschlußerregungen
der Motoren bezeichnet, mit 31, o1 die Nebenschlußerregungen der Motoren, die, wie
die Abbildung zeigt,- durch die von der ersten Dynamotorwicklung gelieferten, ,ein
Achtel der Leitungsspannung darstellenden Spannung gespeist werden.
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T ist die Fahrtschaltertrommel zur Regelung der Fahrt. Sie hat den
Zweck, durch zwölf Kontaktstellungen die zwölf zwischen dem Dynamotor und den Motoren
möglichen Schaltungen zu bewirken. Indem X über Y durch den selbsttätigen
Schalter geschlossen wird, läuft der Motor an, wobei der Widerstand R eingeschaltet
bleibt, bis eine sich der Normalgeschwindigkeit nähernde Geschwindigkeit erreicht
ist. Die Nebenschlußerregerstromkreise sowohl des Dynamotors wie auch der Motoren
werden durch die Spannung von i n gespeist.
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Wird sodann die Trommel A aus der Unterbrechungsstellung U nach F
bzw. B umgelegt (je nach dem Sinne der Fahrtrichtung), so wird durch die Kontakte
8 und Y von A der Anlaßwiderstand R des Dynamotors kurzgeschlossen, und durch die
verbleibenden acht Kontakte von A werden die Stromkreise der Motoren für die Fahrt
vorbereitet.
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Unter diesen Verhältnissen erreicht der Dynamotor endgültig seine
Normalgeschwindigkeit, und der ihn durchlaufende Strom
geht von
der Kontaktnut zu den Schienen, wobei er folgenden Weg nimmt: x-y-8-7-5-I-3-o und.
zwischen 3 und o bzw. 31 und o1 die Dynamotor- und Motorenerregungen speist.
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Die Stromkreise der Motoren sind an den Fahrtschalter T angeschlossen
und verlaufen
In der Stellung o des Fahrtschalters T sind sämtliche Stromkreise offen.
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In der Stellung I des Fahrtschalters T, d. h. in der ersten Fahrtstellung,
stellt der Schalter T folgende Verbindungen her: i - i 9 Motor M1 - i i - 2o Motor
M2 -i2-0.
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Die in Reihe geschalteten Motoren sind an die Klemmen i und o des
Dynamotors gelegt. Werden mit I der Strom in einem Motor und mit In, In, I., Ih,
die vier im Dynamotor von I erzeugten Ströme bezeichnet, so ergibt sich:
Die Spannung auf jedem Motor ist
V, wenn die Leitungsspannung mit V bezeichnet wird.
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In der Stellung II ergibt sich folgender Speisestromkreis 7 - 19 Motor
M1 - i i - 20 Motor M" -12-5.. Die in Reihe geschalteten Motoren sind an die Klemmen
7 und 5 gelegt.
Spannung auf jedem Motor:
In der Stellung III verläuft der Stromkreis 8 -- i9 Motor 1V11- i i - 2ö Motor M2-
I2 -- 5. Die in Reihe geschalteten Motoren liegen an 8 und 5.
Spannung auf jedem Motor:
In der Stellung IV ergibt sich der Stromkreis 5-- i9 Motor M1- iI - 2o Motor M2-
i2- i. Die Motoren liegen an 5 und i.
Spannung auf jedem Motor:
Die Stellung V liefert-5 --- r9 Motor M1- 11-20 Motor M2-I2-o. Die Motoren liegen
an 5 und o.
Spannung auf jedem Motor:
Die Stellung V I ergibt: 7-- i9 Motor M1- II-2o Motor M2-I2-I. Die Motoren liegen
an 7 und i.
Spannung auf jedem Motor
Die Stellung VII ergibt: 7 - i9 Motor Ml- i i: - 2o Motor M2- 12 -- o. Die Motoren
liegen an 7 und o.
Spannung auf jedem Motor:
In der Stellung VIII liegen die hintereinandergeschalteten Motoren direkt an der
Leitung. Man hat: 8-i9 Motor M1- II-2o Motor M2-I2-o. Die von den Motoren erzeugten
dynamotorischen Ströme sind gleich Null.
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Spannung auf jedem Motor: Die Stellung IX ergibt:
Die parallel geschalteten Motoren liegen an 5 und o.
Spannung auf jedem Motor:
In der Stellung X hat man:
Die parallel geschalteten Motoren liegen an 7 und i geschaltet.
Auf jedem Motor liegt die Spannung
Die Stellung XI ergibt: 8 - i9 Motor M, i i - i,
7-20 Motor M,- 12-0.
Motor
M1 ist zwischen 8 und r geschaltet und Motor M. zwischen 7 und o.
Auf jedem Motor liegt eine Spannung
In Stellung XII werden beide Motoren in Parallelschaltung- direkt von der Leitung
gespeist. Schaltschema:
Die von den Motoren kommenden dynamotorischen Ströme sind gleich Null. Spannung
auf jedem Motor:
Für alle dynamotorischen Ströme bedeutet das Zeichen -, daß die entsprechende Wicklung
als Dynamo, und das Zeichen+, daß sie als Motor wirkt. Das Zeichen - ergibt sich,
wenn die Motoren Strom aufnehmen, und das Zeichen -j-, wenn sie Strom erzeugen.
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Aus dem Vorstehenden folgt, daß die ersten acht Stellungen Serienschaltungsstellungen
und die übrigen Nebenschlußschaltungsstellungen entsprechen. Die Spannungsänderung
von der einen zur anderen Serienstellung ist konstant, und dasselbe gilt für die
Nebenschlußstellungen. Bei den letzteren ist aber die Spannungsänderung von der
einen zur anderen Stellung doppelt so groß, kann jedoch leicht überwunden werden,
weil den Nebenschlußstellungen ausreichend hohe Geschwindigkeiten entsprechen, um
durch eine zweckmäßige Kompoundierung der Motoren die Anker EMK während des Anlassens
und während des Bremsens derart zu ändern, daß die Stromwerte jederzeit innerhalb
zulässiger Grenzen bleiben. Durch geeignete Kompoundierung erfolgt dies automatisch.
Jedenfalls ist die Einschaltung von Anlaßwiderständen fast völlig überflüssig, beschränkt
sich vielmehr lediglich auf die ersten Augenblicke nach jeder Kommutation, und der
einzuschaltende Widerstand selbst ist äußerst gering. Sind die Motoren Nebenschluß-
oder beliebig kompoundierte Motoren, so ist das ganze System vollkommen umkehrbar,
und bei dem Übergang von der zwölften zur ersten Stellung erhält man einen Überschuß
der EMK über die stufenweise abnehmenden, den Ankern zugeführten Spannungen. Damit
wird eine stufenweise Verminderung der Fahrgeschwindigkeit der Lokomotive o. dgl.,
ferner eine Umkehrung der Motoren und eine Rückgewinnung der Energie bis zu dem
fast gänzlichen Stillstehen der Lokomotive erreicht.
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Wo nicht Seriennebenschlußschaltung verwendet wird, sondern ein einziger
Satz gespeister Motoren vorhanden ist, stehen immerhin noch die acht Geschwindigkeiten
zur Verfügung, die den acht Grundkombinationen des beschriebenen Systems entsprechen.
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Bezüglich der inneren Arbeitsweise des Dynamotors selbst sei hervorgehoben,
daß ohne Rücksicht auf die Anschlußklemmen der Motorsätze und die Richtung des dieselben
durchfließenden Stromes die vier Dynamotorwicklungen infolge des dynamischen Gleichgewichts
stets in zwei Gruppen geteilt bleiben, deren eine als Motor und die andere als Dynamo
arbeitet. Es folgt hieraus, daß, da jede Nut eine Anzahl von Windungen aller Wicklungen
enthält, die in der Nut untergebrachten Amperewindungen sich praktisch ausgleichen,
wie es erforderlich ist, um nicht nur die Ankerrückwirkungen, sondern auch die Reaktanz
EM (Gegenkraft während der Kommutation) zu beseitigen.
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Dadurch werden die für den Fall des Dynamotors mit zwei Kollektoren
bekannten Umstände auf eine breitere Basis gestellt.
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Es steht aber nichts im Wege, die Schaltanordnung nach der Erfindung
statt bei einer einzigen Maschine bei zwei oder mehreren in Serienschaltung liegenden
Dynamotoren anzuwenden, deren einer die Wicklung d und b und deren anderer die Wicklungen
c und a1 hat, unter Beibehaltung der geschilderten Reihenfolge. Bei dieser Einrichtung
würde aber der selbsttätige Ausgleich der. Ankeramperewindungen nicht in jedem Falle
eintreten, und es wäre somit erforderlich, Hilfspole oder andere Hilfsmittel vorzusehen,
um eine gute Kommutation zu sichern.
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Aus den Darlegungen geht hervor, daß die Schaltanordnung nach der
Erfindung die Energierückgewinnung bei allen Geschwindigkeiten und bis zum vollständigen
Stillstand der Lokomotive gestattet: die Rückgewinnung erfolgt vollständig selbsttätig,
ohne vorhergehende besondere Bedienungsmaßnahmen, und ist unabhängig von der Achtsamkeit
des Motorführers. Durch die neue Anordnung wird sowohl das Anlassen als auch das
Bremsen des Wagens durch die Motoren ohne Zwischenschaltung @#on Widerständen bewerkstelligt,
da der Dynamotor selbst den Motoren eine während des Anlassens stufenweise zunehmende
und während des Bremsens stufenweise abnehmende Spannung zuführt. Mit der erfindungsgemäßen
Schaltanordnung wird daher nicht nur der beim Abwärtsfahren freiwerdende Vortrieb,
sondern auch die ganze kinetische Energie des Zuges rückgewonnen, wobei diese Rückgewinnung
unter einem sehr günstigen Wirkungsgrad infolge Fehlens von ZViderständen erfolgt.
Aus demselben Grunde erfolgt auch das Anlassen unter sehr günstigen Bedingungen.
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Schließlich ist die Bedienung eine sehr einfache,
da
das Bremsen -und die darauffolgende Energierückgewinnung dadurch erfolgt, daß mit
der Zurückbewegung der Kontrollerkurbel einfach auf die während des Anlassens benutzten
Kontakte zurückgegangen wird. Gerade dieser Umstand ist von erheblicher Bedeutung,
und mit den bisher bekannten Einrichtungen war eine derartige einfache und wirtschaftliche
Betriebsweise nicht zu erzielen. Für die Erfindung ergeben sich natürlich neben
der Verwendung an mit Gleichstrom betriebenen elektrischen Bahnen noch andere Anwendungsmöglichkeiten,
und zwar vor allem da, wo Gleichstrommotoren mit verschiedenen Geschwindigkeiten
zur Verfügung stehen.