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Fahr- und Bremsschaltanordnung für Gleichstromverbundtriebmotoren
elektrischer Gleisfahrzeuge unter Anwendung einer umlaufenden Spannungsteilergruppe
Für die Stromzuführung elektrischer Motoren sind schon Schaltsysteme vorgeschlagen
worden, die auf der Verwendung von Spannungszerlegergruppen oder Dynamotoren beruhen,
in derartiger Anordnung, daß die in Serie oder parallel geschalteten Motoren mit
beim Anlassen stufenweise steigenden und beim Bremsen unter Energierückgewinnung
stufenweise abnehmenden Spannungen gespeist werden können.
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Es ist weiterhin bekannt, daß die durch Spannungszerleger oder Dynamotoren
mit verbunderregten Motoren gekennzeichnete Schaltung am zweckmäßigsten ist, um
die Schaltungen bei Energierückgewinnung praktisch und selbsttätig durchzuführen.
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Die bisher vorgeschlagenen Spannungszerleger oder Dynamotoren waren
nun aber mit einer geraden Anzahl von unter sich und mit der Speiseleitung hintereinandergeschalteten
Wicklungen versehen, die eine Überdimensionierung des Dynamotors im Vergleich zu
den Dimensionen der durch ihn gespeisten Motoren zur Folge hatten.
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Die Erfindung betrifft ein Fahr- und Bremsschaltsystem, bei dem die
Motoren z. B. in zwei Gruppen geteilt sind. Hierdurch wird eine bessere Ausnutzung
der Dynamotorgruppe erreicht. Man erhält ferner betriebstechnisch sehr vorteilhafte
Spannungsstufen.
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Die Erfindung vermeidet des weiteren die den bisher bekannten Kontrollsystemen
noch eigenen Nachteile, jedoch unter Beibehaltung der in der folgenden Beschreibung
erwähnten günstigen Eigenschaften der bekannten Systeme.
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Die die Erfindung ausmachende Schaltanordnung umfaßt außer den Motoren
oder Motorgruppen und den Schaltorganen eine Dynamotorgruppe mit drei getrennten
Wicklungen, die in denselben Ankernuten auf den normalen Wicklungen liegen und zwischen
Speiseleitung und Erde hintereinandergeschaltet werden und deren Enden an drei verschiedene
Kollektoren angeschlossen sind. Diese Kollektoren können natürlich sowohl die gleiche
als auch verschiedene Spannungen aufweisen, wenn die Dynamotorgruppe mit Nebenschlußerregung
in Betrieb ist.
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Die beiliegende Zeichnung, in der die Erfindung schematisch erläutert
ist, zeigt in Abb. I eine Ansicht der neuen Zusatzmaschine (Dynamotor), die durch
drei Kollektoren gekennzeichnet ist, Abb. 2 schematisch die Dreiteilung der Linienspannung
unter die drei Kollektoren, Abb. 3 die Methode, die Leiter der übereinander in denselben
Nuten geschichteten Sektionen unterzubringen, Abb. 4 und 5 die Motorverbindungen.
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Das System unterscheidet -sich von der Zweikollektoranordnung dadurch,
daß einer der Kollektoren, nämlich derjenige mit niedriger Spannung, in zwei getrennte
Kollektoren mit gleicher oder ungleicher Spannung geteilt ist, an die zwei elektrisch
voneinander
unabhängige Wicklungen angeschlossen sind, so daß drei
nebeneinander auf der Ankerachse sitzende Kollektoren a, b, a' vorhanden sind (Abb.
I). Die drei entsprechenden Wicklungen liegen an der Netzspannung, und diese ist
somit in drei Teile m, p, q zerlegt, wenn der im Nebenschluß erregte Dynamotor arbeitet.
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Mit anderen Worten wird der Zweck erzielt, wenn den folgenden Bedingungen
nachgekommen wird: a) Die Anzahl der in einer und derselben Nut enthaltenen und
verschiedenen Wicklungen zugehörenden Drähte soll der Spannung derselben proportional
sein (s. Abb. 3).
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b) Die Nutentwicklungsschritte müssen dieselben für sämtliche Wicklungen
sein.
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c) Die Kommutierungszone muß in allen Wicklungen mit der neutralen
Zone zusammenfallen, und der durch die Bürsten der verschiedenenWicklungen bestimmte
Kreisbogen muß ein derartiger sein, daß der Zentriwinkel, in dem die Kommutierung
stattfindet, für sämtliche Wicklungen zusammenfällt und für alle gleich ist.
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Wenn die Stromentnahme für die anzutreibenden Motoren aus wenigstens
einer der mittleren Klemmen B und C (Abb. 2) erfolgt, teilen sich in jedem Falle
die drei Wicklungen a, b, a' in zwei Gruppen, deren eine als Dynamo und deren andere
als Motor arbeitet. Wegen des dynamischen Gleichgewichtes müssen die Amperewindungen
der einen Gruppe diejenigen der anderen Gruppe annähernd ausgleichen.
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Trotz Anordnung dreier statt zweier Wicklungen kann also die so gebaute
Maschine nicht nur mit praktisch beseitigten Ankerrückwirkungen, sondern auch mit
praktisch beseitigten Reaktanz-EMKe arbeiten, so daß sie sich vorzüglich eignet,
starke, plötzlich auftretende Belastungen aufzunehmen, wie dies bei Zugmotoren häufig
erforderlich ist.
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Während daher die Anordnung des Dynamotors mit drei Wicklungen in
keiner Weise die Vorteile des Dynamotors mit zwei Wicklungen beeinträchtigt, gewährleistet
erstere eine zweckmäßige Spannungsverteilung unter den drei Wicklungen. Diese ermöglichen
es, den Motoren oder Motorgruppen stufenweise sehr günstig unterteilte Spannungen
zuzuführen.
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Hinsichtlich der Zerlegung der Netzspannung V in die drei Spannungen
m, p, q ergibt
ist den Restwerten von V, da m + p + q + V sein muß.
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Man kann nun verschiedene, in folgender Tabelle angegebene Kombinationen
erzielen, deren jede es gestattet, jedem von zweien der Klemmen A, B, C, D (Abb.
2) der Dynamotorwicklungen gespeisten Stromkreise eine beliebige von n Spannungen
mit gleichmäßigen Stufen zu erteilen.
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Eine weitere Vermehrung der Anzahl der zur Verfügung stehenden Spannungen
läßt sich erzielen, wenn, wie oben angenommen, zwei unabhängige Motorengruppen zu
betreiben sind. Die letzte Spalte in der nachstehenden Tabelle gibt die Spannungszahl
an, die für jede Gruppe erreichbar ist.
Aus der Tabelle ersieht man sofort die Möglichkeit, die eingangs erwähnten Vorteile
zu verwirklichen. Es ist aber noch zu untersuchen, ob bei der neuen Anordnung die
erforderliche Kraftleistung der Spannungsteilermaschine verringert ist im Vergleich
mit den bekannten Anordnungen.
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Außer der Tatsache des günstigeren Verhältnisses zwischen der Maximalspannung
an den Wicklungsenden beim Kollektor und der Spannung der Speiseleitung im Vergleich
zu der Anordnung des Dynamotors mit zwei Kollektoren leuchtet ein, daß die durch
erfindungsgemäße Anordnung für die bereits bekannten Systeme notwendige Leistung
der zwischen Speiseleitung und Motoren eingeschalteten Spannungsteilermaschinen
wesentlich vermindert wird.
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Es sei die vierte Kombination in der Tabelle angenommen, nach der
sind. In diesem Falle kommen, wenn a und a'
zwei Windungen pro Nut
haben, auf b vier Windungen pro Nut. Das ergibt sieh aus Abb. 3, die auch erkennen
läßt, daB die der Wicklung ä mit denjenigen der Wicklung a.' zusammengewickelt sind,
um denselben magnetischen Fluß auf beide zur Wirkung bringen. und somit an den Enden
beider
Wicklungen dasselbe Spannungsgefälle zu erzielen.
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Demgemäß ergibt sich folgende Spannungstabelle und daher auch die
der unabhängigen
Es ist hervorzuheben, daß die Spannungsstufen genau die gleichen sind wie bei Dynamotoren
mit nur zwei Wicklungen, deren Verhältnis I : 3 ist.
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Für die Verteilung der Ströme in jeder der drei Wicklungen und für
jede der sechs erzielten Geschwindigkeiten gilt die folgende Tabelle, in der die
Ströme in Achteln von T ausgedrückt sind. Hierbei ist J der Strom eines Motors.
Ströme in Achteln von J Geschwindigkeit (J = Strom eines Motors) in den Wicklungen
a b a' I ...... .. 2 2 6 II ......... 4 4 4 III ......... 6 2 2 IV ......... o o
o V ......... 4 4 4 VI ......... o o o In dem Falle von zwei Wicklungen, deren Verhältnis
I:3 ist, stellt sich die Tabelle wie folgt: Ströme in Achteln von J Geschwindigkeit
(J = Strom eines Motors in den Wicklungen a1 b1 = 3a I ......... 6 2 II .........
I2 4 III ......... 6 2 IV ......... o o V ......... I2 4 VI ......... o o Normalgeschwindigkeiten,
mit denen man die Motoren unter einer bestimmten Belastung I laufen lassen kann.
Auch die Kontakte sind angegeben. Aus dem Vergleich geht klar hervor, daß die Wicklungen
mit höherer Spannung (b bzw. b1 = 3a) den gleichen Strom führen, jedoch mit dem
bedeutenden Vorteil zugunsten von b, daß darin eine niedrigere Spannung herrscht,
nämlich r V statt 4 V. Der Kollektor I mit niederer Spannung führt einen Maximalstrom,
dessen Wert zweimal so groß ist als derjenige der Wicklungen a und a', die gleiche
Spannung führen wie i. Das System a-a' ist also dem einzigen Kollektor I äquivalent.
Die Stromentnahme ist daher erleichtert.
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Für die Gesamtleistung der Maschine in beiden Fällen sei eine Anlaßperiode
vom Ruhestand bis zur Erreichung der Vollgeschwindigkeit (VI) betrachtet, unter
der Annahme, daß, wie es gewöhnlich der Fall ist, die Dauer eines jeden Motorkontaktes
proportional der Spannungsstufe, d. h. für die Geschwindigkeiten V und VI doppelt
so lang sei wie für die vorangehenden Geschwindigkeiten.
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Man würde dann für die wirksamen durchschnittlichen Stromwerte in
jeder der Wicklungen a, b, a' und a1, b1 folgende Zahlen erhalten a u. a' wirksamer
durchschnittlicher Wert o,4I4 J b - - - 0,33 J a1 0,993T b1 0,33 T Wenn man
die erhaltenen Stromwerte mit den zugehörigen Spannungswerten multipliziert und
für jede Maschine die Produkte
addiert, ergibt sich, daß die Leistung
der Dreikollektormaschine etwa o,37 VI ist, während die Leistung der Zweikollektormaschine
o,5 VI beträgt.
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Die mit der Dreikollektormaschine erzielte Kraftersparnis ist also
ungefähr 25%. Die Gewichtsersparnis ist eine noch bedeutendere, weil die Kollektoren
einen kleineren Durchmesser aufweisen und somit höhere Umlaufsgeschwindigkeiten
zulassen.
Die zugehörige Tabelle der Stromverteilung ist folgende: Ströme in Zehnteln von
J Geschwindigkeit in den Wicklungen a b a'
I....... 2 2 8 II........ 6 4
6 III........ 6 4 6 IV....... 8 2 2 V
......... 0 0 0 VI....... I2 8 I2 VII........
6 4 6 VIII........ o o o Die eingangs erwähnten Vorteile treten hier zwar etwas
weniger in Erscheinung, aber sie bleiben doch immer in größerem Maße bestehen als
bei dem Zweikollektordynamotor.
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Der Vergleich zwischen den Anordnungen eines Dynamotors mit zwei und
vier Kollektoren wird noch vorteilhafter ausfallen wie Eine andere sehr vorteilhafte
Anordnung ist diejenige, die der Annahme von.
entspricht. Die in diesem Falle sich ergebenden acht verfügbaren Spannungen und
Motorgeschwindigkeiten sind aus folgender Tabelle zu ersehen, in der auch die Kontakte
eingetragen sind: Geschwindigkeitsstufen gleichem Motorstrom Momag.
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torregelung w ein Vergleich zwischen einem Dynamotor mit zwei und
einem solchen mit drei Wicklungen.
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Die neuartige Dynamotoranordnung ist sowohl bei Zugmaschinen als bei
ortsfesten Anlagen anwendbar, d. h. überall dort, wo es wünschenswert ist, über
mehrere verfügen zu können oder die Möglichkeit zu haben, während des Anlassens
die Netzströme zu reduzieren, deren Werte offenbar bei gleichem Motorstrom im gleichen
Sinne sich ändern wie die Motorspannungen. Dies trifft zu, welches auch die Art
der sein Handelt es sich um Nebenschluß- oder Verbundregelung oder um eine sonstige
die Umkehrbarkeit zulassende Regelungsart, so kann man auch in diesem Falle durch
einfache Umkehrung der Anlasser die im Gang befindliche Maschine fast gänzlich stillsetzen
und gleichzeitig auch Kraft zurückgewinnen. Das neue System ist überall da anwendbar,
o die Zweikollektoranordnung anwendbar wäre. Seine Anwendung läßt sich aber auch
ausdehnen auf Anlagen mit größerer Kraftleistung und auf Speiseleitungen mit höherer
Spannung.
Die in der obigen Beschreibung beispielsweise angegebenen
Zahlenwerte und Stromkreisausführungen können natürlich auch geändert werden, ohne
daß dadurch der Bereich der Erfindung verlassen würde.