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Steuereinrichtung für Zugmotoren, die mit Gleichstrom betrieben werden
Es ist bekannt, eme Motordynamo, mit deren Hilfe die Leitungsspannung unterteilt
werden kann, mit einem oder mehreren Zugmotoren mit Kompensations- oder Compiounderregung
derart zu verbinden, daß die Motoren während des Anfahrens einer Stufenleiter von
anwachsenden Spannungen unterworfen werden. Man erhält dabei ein Anfahren des Zuges,
ohne daß Widerstände benutzt zu werden brauchen. Ferner ist es bei der genannten
Einrichtung bekannt, das Fahrzeug bis zu seinem völligen Anhalten dadurch zu bremsen,
daß man die Motoren derselben Stufenleiter von Spannungen, aber in fallender Reihenfolge
unterwirft. Weiterhin ist -es auch bekannt, diesen Effekt zugleich mit der Wiedergewinnung
der kinetischen Energie des Zuges zu erhalten, wobei diese Wiedergewinnung vollkommen
selbsttätig geschieht, d. h. es sind zur Wiedergewinnung keine besonderen Handlungen
nötig in Anbetracht der Tatsache, daß dieselben Stellungen der Führerschaltwalze
sowohl für das Anfähren als auch für die Bremsung dienen. Der Fahrer kann bei der
Wiedergewinnung von einer beliebigen Stellung der Führerschaltwalze ausgehen.
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Weiterhin ist es bekannt, daß es in vielen Fällen notwendig ist, in
den Ankerstromkreis der Motoren einen kleinen Widerstand einzuschalten, welcher
während des Übergangs von einer Spannung zu einer anderen in den Stromkreis eingeschaltet
bleibt und der durch ein besonderes Differentialrelais kurzgeschlossen wird, sobald
der Strom unter eine gewisse Grenze gesunken ist. Der Zweck dieser Einrichtung besteht
darin, die Stromspitzen von den Motoren fernzuhalten und dadurch unangenehme Stöße
auf die Passagiere zu vermeiden. ` Schließlich ist @es auch bekannt, die Hauptstromwicklung
eines Generatorfeldes vor dem Stufenwechsel durch Kurzschließung stromlos zu machen,
so daß der Ankerstrom auf ein Minimum sinkt, und dann erst die Änderung der Stromkreisverbindungen
vorzunehmen. Diese Einrichtung nimmt nur auf die Verhältnisse, die beim Anfahren
herrschen, Rücksicht, während sie für den Bremsvorgang sehr ungünstig ist.
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Durch die vorliegende Erfindung wird es erreicht, die Stromspitzen,
die beim übergang von einer Spannung zur anderen auftreten, sowohl beim Anfahren
als auch beim Bremsen wesentlich weiter zu erniedrigen, als es mit den bekannten
Einrichtungen möglich ist, so daß die Fahrt beim Anfahren und beim
Bremsen
vollkommen stoßfrei geschieht. Bei den bekannten Einrichtungen besitzt die Stromkurve,
welche in den Motoren beim Übergang' von einer Spannung zur anderen auftritt, immer
noch, trotz der zeitweiligen Einschaltung von Widerstanden, eine sehr steile Front.
Denn während des genannten Übergangs wird der Motor wegen der Unterbrechung des
Stromes und infolge der Compoundwirkung teilweise beim Anfahren untererregt und
beim Bremsen übererregt, d. h. also, er steht unter solchen Bedingungen, die zum
Ertragen des Spannungssprunges, welcher beim Anfahren positiv und beim Bremsen negativ
ist, die denkbar schlechtesten sind.
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Der Erfindungsgegenstand ist den verschiedenen Bedingungen, die beim
Anfahren und beim Bremsen herrschen, in außerordentlich günstiger Weise angepaßt;
denn bei der Einrichtung gemäß der Erfindung wird die Motorerregung beim Übergang
von einer niedrigeren zu einer höheren Spannung, wie dies beim Anfahren stattfindet,
erhöht, und beim Übergang von einer höheren Spannung zu einer niedrigeren Spannung,
wie dies beim Bremsen geschieht, selbsttätig verringert.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand eines Ausführungsbeispiels
erläutert. Zur besseren Verständichkeit sind alle Teile und zusätzlichen Apparate,
die mit dem Erfindungsgedanken nichts zu tun haben, fortgelassen. Zur Vereinfachung
sei auch noch vorausgesetzt, daß es sich um die Regelung eines einzigen Motors handelt,
der beispielsweise vier verschiedenen Spannungssprüngen, und zwar zwischen den Spannungen
0-125-250-375-50o Volt beim Anfahren und umgekehrt zwischen den Spannungen 500-375-25o-i25-o
Volt beim Bremsen, unterworfen wird. Es sei angenommen, daß die Kontaktfinger o,
125, 375, 5oo der Führerschaltwalze C dauernd unter einer Spannung von o, 125, 375
und 500 Volt stehen, und daß, die weiteren Kontaktfinger i und 8 @ derselben
Walze C die Enden des Ankerstromkreises des Motors darstellen. Man erhält dann folgende
fünf Stellungen: o - die beiden Enden des Ankerstromkreises sind kurzgeschlossen.
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I = die Enden des Ankerstromkreises liegen zwischen den Klemmen von
o und 125 Volt Spannung.
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II = die Enden des Ankerstromkreises liegen zwischen den Klemmen von
125 bis 375 Volt Spannung.
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III = die Enden des Ankerstromkreises liegen zwischen den Klemmen
von o und 375 Volt Spannung.
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IV = die Enden des Ankerstromkreises liegen zwischen den Klemmen von
o und 5oo Volt Spannung. Der Ankerstromkreis umfaßt den AnkerA, die in Reihe mit
dem Anker geschaltete Erregerwicklung S und den Kommutierungswiderstand R, dessen
Ein- und Ausschaltung selbsttätig durch das Differentialrelais I jedesmal dann gesteuert
wird, wenn der Fahrschalter von einer Stellung in eine folgende übergeht.
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Der Stromkreis der Nebenschlußerregung wird dauernd von einer Spannung
zwischen den Klemmen von o und 125 Volt gespeist, d. h. die Nebenschlußerregung
ist einer konstanten Spännung unterworfen. Die Nebenschlußerregung umfaßt die Feldspulend,
die in Reihe mit dem Feldwiderstand r geschaltet sind. Der Widerstandr kann durch
die Kontaktfinger io, ii kurzgeschlossen werden, welche sich .gegen die Hilfssteuerwalze
C', die auf einer Achse mit C sitzt, legen. Die Fahrschaltwalze C wird direkt oder
indirekt durch den Fahrer in Bewegung gesetzt, während C durch die Kupplung
N angetrieben wird. Mittels der Kupplung N dreht sich C
zusammen mit C, solange
sich die Drehung in einem bestimmten Sinne fortsetzt, wobei sich der mit C' verbundene
Zahnp dauernd gegen die Wandx des Gehäuses g beim Anfahren oder gegen die Wand y
des Gehäuses g beim Bremsen legt. Das Gehäuseg ist mit der Hauptschaltwalze C fest
verbunden. Die Folge davon ist, daß die Kontakte auf C' sich gegenüber den Kontakten
auf C in verschiedener Stellung befinden, je nachdem der Fahrer die Walze in dem
einen oder dem anderen Sinne dreht.
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Die Stellungen der Schaltwalzen zueinander seien im folgenden näher
erläutert: Wenn der Fahrer die Hauptschaltwalze C von links nach rechts drehen läßt,
d. h. er geht von der Stellung o zur Stellung I, von der Stellung I zur Stellung
II usw. über, dann legt sich die Nase p gegen die Wand x; die Kontakte auf
C behalten die in der Zeichnung dargestellte Stellung, bei welcher die Mittellinie
der Kontaktstücke auf C zusammenfällt mit der Mittellinie der zwischen den
Kontaktstücken auf C befindlichen Zwischenräume.
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Wenn dagegen die Drehung in umgekehrter Richtung vor sich geht, dann
legt sich zuerst p gegen y, und die Stellung der Kontakte auf den beiden Walzen
zueinander ist eine solche, daß die Mittellinien der Kontaktstücke .auf C und
C zusammenfallen.
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Der .erstgenannte Fall entspricht der Be; tätigung der Steuerwalzen
beim Anfahren und, wie aus der Figur deutlich hervorgeht, ist die Erregung der Nebenschlußwicklung
infolge der Einschaltung von r geringer, wenn C sich fest in einer der Anfahrstellungen
o-I-II-III-IV befindet. Dagegen ist die Erregung
beim Übergang
von einer Stellung zur anderen größer. Beim Anfahren werden also die Motoren während
des Übergangs von einem Kontaktstück zum anderen übererregt.
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Der zweite Fall entspricht der Walzenschaltung beim Bremsen. Man muß
dabei voraussetzen, daß die Kontakte von C gegenüber der in der Zeichnung
dargestellten Stellung so weit nach links gedreht werden, daß die-Kontakte von
C auf derselben,Linieliegen wie die Kontakte von C. Die einleitende Drehung
von C gegenüber von C, die ihre Ursache in dem Spiel hat, das in der Kupplung N
vorgesehen ist, muß offenbar gleich der Hälfte des Winkelabstandes sein, welcher
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stellungen der Führerschaltwalze C vorhanden
ist. Bei dieser Sachlage wird der Motor übererregt, während die Hauptwalze C in
einer bestimmten Fahrstellung verharrt, während der Motor beim Übergang von einer
Stellung der Hauptwalze zur anderen untererregt wird. Hieraus folgt, daß die Motoren
untererregt werden, bevor die Hauptkontakte miteinander in Berührung kommen und
sich die Gegencompoundwirkung des Bremsstromes einstellt. Eine ähnliche Erscheinung
tritt bei dem umgekehrten Manöver des Anfahrems auf, bei dem die Motoren übererregt
werden, bevor die durch den Anfahrstrom .hervorgerufene Compoundwirkung auftritt,
nachdem der Hauptstromkreis geschlossen ist. Die Vorteile, welche sich aus der vorstehend
beschriebenen Einrichtung ergeben, sind die folgenden: i. Die Stromspitzen werden
verringert, da dem Schluß des Hauptstromes bei jedem Weiterschalten beim Anfahren
eine Übererregung der Motoren und beim Bremsen eine Untererregung vorausgeht.
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2. Der zu unterbrechende Strom wird verringert, eine Verringerung,
die nicht nur auf die automatische Einschaltung von R, sondern auch auf die Verschiedenheit
der Erregungen zurückzuführen ist.
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3. Beim Bremsen steht eine wesentlic4 größere Erregung zur Verfügung
als beim Anfahren, was außerordentlich wirtschaftlich ist, wenn man bedenkt, daß
während des Anfahrens die Hauptschlußerregung zu der Nebenschlußerregung hinzukommt,
während dagegen beim Bremsen nur die Differenz zwischen Haupt- und Nebenschlußerregung
wirksam wird.
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In der beschriebenen Vorrichtung wird die Ein- und Ausschaltung der
in den Stromkreis der Ankerwicklung eingeschalteten Widerstände durch ein Differentialrelais
gesteuert, welches bei jedem Übergang der Führerschaltwalze von einer zur anderen
Stellung in Tätigkeit tritt. Das gleiche Resultat kann auch mittels einer anderen
zweckmäßigen Vorrichtung erreicht werden, bei welcher die Eim-und Ausschaltung der
genannten Widerstände unmittelbar von der Führerschaltwalze selbst bewirkt wird.
Diese Einrichtung ist ähnlich derjenigen, welche die Einschaltung und die Kurzschließung
des Feldwiderstandes bewerkstelligt. Auf diese Weise kommen alle Relais in Fortfall.
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In Fig. 2 ist die vorstehend erwähnte zweite Ausführungsform des Erfindungsgedankens
mit dem dazugehörigen Schaltschema beispielsweise dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist ebenfalls angenommen, daß nur ein einziger Motor vorgesehen ist, der drei Spannungsstufen,
und zwar zwischen den Spannungen 0-125-375-50o Volt unterworfen ist.
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Bei der Vorrichtung nach Fig.2 sind alle Stellungen des Fahrschalters,
in denen der Motor eingeschaltet ist, verdoppelt und durch die Zahlen 1-I', II-II',
III-III', IV-IV' bezeichnet. Die Hauptschaltwalze C ist mit zwei Kupplungen M und
N versehen; deren Eingriff durch Spiel verzögert ist. je nachdem die Drehung der
Haupt- oder Führerschaltwalze in der Richtung des Anfahrens oder der Bremsung erfolgt,
wird durch die Kupplung M die Winkelstellung der Kontakte der Hauptwalze C gegenüber
den Kontakten der Hilfswalze C' geändert. Die Kontaktfinger i o, i i, die mit der
Walze C' zusammenarbeiten, bewirken die Einschaltung und Kurzschließung des Feldwiderstandes
.r. Die zweite Kupplung N dient zum Antrieb der Hilfswalze C", welche die Einschaltung
und Kurzschließung des in den Ankerstromkreis eingeschalteten Widerstandes ,R bewirkt.
Die Kupplung N ist ähnlich wie die Kupplung M ausgebildet.
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Die Kupplung M bewirkt, daß, beim Anfahren der Feldwiderstand ,r während
der Stellungen 1-I', II-II', III-III', IV-IV eingeschaltet ist, dagegen beim Übergang
zwischen den Stellungen I'-II, II'-III, III'-IV, in denen der Ankerstromkreis unterbrochen
wird, kurzgeschlossen ist. Während der Bremsung wird eine entgegengesetzte Wirkung
erzielt. Zur Herbeiführung dieser Wirkung genügt es, daß der Winkel des toten Ganges,
den die Hauptwalze C mit Bezug auf die Hilfswalze C
hat, gleich der. Hälfte
des Winkelabstandes zwischen I-II, II-III, III-IV bzw. zwischen I'-II', II'-III',
III'-IV' ist.
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Die gegenseitige Verbindung zwischen C und C" ist so angeordnet, daß
während des Anlaufens der Ankerkreiswiderstand R bei den Stellungen I-II-III-IV
eingeschaltet (in welche Stellungen man nach jeder Umschaltung zuerst gelangt) und
in den Stellungen I'-II'-III'-IV' kurzgeschlossen ist. Während der Bremsung ist
dagegen R in den Stellungen I'-II'-III'-IV' eingeschaltet und in den Stellangen
I-II-III-IV
kurzgeschlossen. Außerdem maß, R sowohl beim Anlaufen als auch beim -Bremsen während
der Umschaltung des Ankerstromkreises eingeschaltet sein.
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Um dies herbeizuführen, genügt es, daß das Spiel der Hauptwalze C
gegenüber der Hilfswalze C" einer Winkelverschiebung entspricht, die gleich dem
Winkel zwischen den Stellungen I-I', II-II', III-III', IV-IV' ist.
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Der Deutlichkeit halber sind die Stellungen von C und C" in
bezug auf C während des Anlaufens (Drehung nach der rechten Seite von C) mit vollen
Linien und diejenigen, welche sich auf das Bremsen beziehen (Drehung nach der linken
Seite von C), mit punktierten Linien gezeichnet.
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Um die gewünschte Lage der Hauptwalze zu den Hilfswalzen zu sichern,
ist es notwendig, daß nicht nur die Walze C mit einem gezahnten Rad (Fühlrad) ausgestattet
ist, in welches ein mit einer Feder ausgestatteter Rollenanschlag entsprechend den
genau innezuhaltenden einzelnen Stellungen der Hauptsteuerwalze eingreift, sondern
es müssen ähnliche Vorrichtungen auch für die Hilfswalzen C' und C" angewendet werden.
Die genannten Anschläge werden am Gehäuse der Steuereinrichtung mittels Bolzen drehbar
befestigt, derart, daß der von ihnen mit Bezug auf das Gehäuse geleistete Widerstand
wesentlich größer ist als der Reibungswiderstand zwischen den Walzen C und
C einerseits sowie C und C" anderseits.
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Es sei angenommen, daß der Umfang in 27 Teile geteilt sei. Das Fühlrad
von C wird nur mit denjenigen Nuten ausgestattet, welche zur Sicherung der Stellungen
o-I-I'-II-II'-III-III'-IV-IV' nötig sind, während jedes der Fühlräder der Walzen
C und C" 27 Nuten zeigt, so daß ihre Stellung dauernd gesichert ist. In dem
beispielsweise gewählten Fall beträgt der tote Gang bei jeder Umkehrung der Drehrichtung
von C drei Schritte für C und nur zwei Schritte für C".
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Was die Wirkungsweise anbelangt, so genügt es, zu erwähnen, daß sowohl
beim Anfahren als auch bei der Bremsung jedesmal die Spannung an den Anker derart
gelegt wird, daß im Anfang R eingeschaltet und später R kurzgeschlossen ist. Hierdurch
werden die während des übergangs von einer zur anderen Spannung auftretenden Stromstöße
vermindert.
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Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung kann natürlich auch in dem
Falle angewendet werden, in welche zwei oder mehrere Motore parallel oder in Reihe
geschaltet sind; die Zahl der Spannungsstufen, an welche man die Anker der Motoren
legt, kann ebenfalls verändert werden. Dies hat nur zur Folge, daß sich die Zahl
der Kontakte der Walze C und die Zahl der Steuerstellungen verändert, während die
Konstruktion und die relative Stellung der Walzen C , C" gleichbleibt.
Bei letzteren ist es nur notwendig, die Zahl der Kontakte zu vergrößern.
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Es kann auch ein Teil der Widerstände R von einem Relais gesteuert
werden, welches zu Anfang oder am Schluß wirkt, während der andere Teil unmittelbar
von den Schaltwalzen selbst gesteuert wird. Wenn die Relais die von ihnen abhängigen
Widerstände sowohl in den Stellungen I-II-III-IV als auch in den Stellungen l'-II'-III'-IV'
kurzschließen sollen, müssen die Kontakte, welche die Differentialrelais betätigen,
auf der Walze C befestigt sein und unter Strom gesetzt werden. Wenn dagegen die
Relais nachwirken sollen, werden ihre Steuerkontakte auf C" analog denjenigen, welche
die Kontaktfinger 6, 7 kurzschließen, aufgebracht, so daß die Differentialrelais
beim Anfahren nur in den Stellungen I'-IF-III'-IV' und beim Bremsen nur in den Stellungen
I-II-III-IV wirken.
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Es maß schließlich noch hervorgehoben werden, daß ein in Reihe :erregter
Motor sich genau so wie ein einfacher Widerstand benimmt. Darum kann man sogar den
Widerstand R gänzlich oder teilweise durch einen in Reihe erregten Motor ersetzen,
welcher zur Erzeugung einer gegenelektromotorischen Kraft geeignet ist. Dieser Motor
wird zweckmäßigerweise auf derjenigen Welle aufgekeilt, welche auch die Motordynamo
trägt, die als Spannungsteiler wirkt und die drei Grundspannungen i25, 25o, 3751iefert.
Der genannte Motor wird in dem Stromkreis an derselben Stelle eingeschaltet, die
sonst der Widerstand ,R einnehmen würde. In diesem Falle geht die Leistung, welche
dem Motor zugeführt wird, nicht gänzlich durch Umwandlung in Wärme verloren; sie
wird vielmehr wiedergewonnen und dem Stromkreis durch die als Spannungsteiler wirkende
Motordynamo, die mit dem Hilfsmotor wegen der Aufkeilung auf der gleichen Welle
mechanisch verbunden ist, wieder zugeführt.