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Schaltanordnung zur Erzielung stoßfreier Schaltvorgänge bei elektrisch
betriebenen, mit mehreren Verbundmotoren ausgerüsteten Fahrzeugen Die Erfindung
betrifft eine Schaltung für elektrisch betriebene Fahrzeuge mit mehreren Verbundmotoren
sowie die dazugehörenden Vorrichtungen zur Durchführung der Schaltung, wodurch die
Stromrückgewinnung unter gewissen Bedingungen erfolgt.
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Bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen mit Verbundmotoren ist die Reihenparallelschaltung
der Motoren für die Fahrstellung der Fahrschalterwelle bereits bekannt. Ferner hat
die Reihenparallelschaltung auch schon . für Nutzbremsung Anwendung gefunden.
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Demgegenüber soll gemäß der Erfindung ein elektrisch stoßfreier Übergang
von der Reihen- auf die Parallelschaltung sowohl beim Fahren, bei der Stromrückgewinnung
als auch beim Kurzschlußbremsen ermöglicht werden, und .zwar mit Hilfe einer zusätzlichen,
vom Fahrschalter angetriebenen Umschaltvorrichtung. Beim Übergang von Reihen- auf
Parallelschaltung und umgekehrt ist hierbei ein Widerstand zeitweise zwischen die
Motoren eingeschaltet.
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Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß
der Übergang von der Stromrückge-,vinnung bzw. Fahrschaltung zur Kurzschlußbremsung
durch einen von :einem Überspannungsrelais gesteuerten Stromunterbrecher erfolgt,
der mit einem Bremsrelais verbunden ist, welches den Ankerstromkreis -ohne Änderung
der Motorschaltung auf :einen Bremswiderstand schaltet, sobald sich der Stromunterbrecher
öffnet. Das Überspannungsrelais ist vorgesehen, um bei zu hoher Klemmenspannung
der Maschinen den Stromunterbrecher zu öffnen, der seinerseits ein Bremsrelais schließt,
und damit den Stromkreis der Maschinen auf den Bremswiderstand schaltet.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung und den Ansprüchen.
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Die Zeichnungen veranschaulichen Durchführungsbeispiele der Schaltungen
und der entsprechenden Vorrichtungen. Es stellen dar: Abb. i ein Schaltungsschema
der Gesamtanlage, Abb.2 :eine mechanische Vorrichtung zum Kurzschließen des Übergangswiderstandes
im Grundriß, in der der Reihenschaltung der Motoren entsprechenden Fahrschalterstellung,
Abb. 3 die gleiche Vorrichtung in der der Parallelschaltung entsprechenden Stellung,
Abb. 4 eine auf dem Fahrschalter angeordnete Vorrichtung zur Verriegelung des Stromunterbrechers,
im Grundriß; Abb. 5 die gleiche Vorrichtung in der Ruhelage, im Aufriß, Abb. 5a
die Vorrichtung in der Arbeitsstellung,
Abb. 6 ein Schema zur üblichen
Schaltung der Motoren, die in Reihe arbeiten können und (Abb. 7, - 8) nach der Brückenmethode
geschaltet sind, Abb. 7 die gleiche Anlage nach der ersten Handhabung zum Arbeiten
der Motoren in Parallelschaltung, Abb. 8 die Anordnung zur Parallelschaltung der
in Reihenschaltung liegenden Motoren, Abb. 9 ein schematisches Beispiel, das die
verschiedenen Ströme in einer Schaltung mit den beiden nach der Brückenmethode geschalteten
Verbundmotoren ersichtlich macht, Abb. i o eine Schaltung, gemäß welcher die Verbundmotoren
unter Zuhilfenahme gewisser Kunstgriffe in Reihe gespeist werden.
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Abb. i i schematisch den Übergang von der Reihenschaltung zur Parallelschaltung
und Abb. i a die Parallelschaltung der beiden Verbundmotoren.
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Gemäß der in Abb. i dargestellten Schaltung wird der Strom durch eine
Oberleitung oder eine Schiene unter Spannung zugeleitet und durch einen Stromabnehmer
T (oder Gleitschuh) den Verbundmotoren zugeführt, deren Anker 1, l' mit den entsprechenden
Hauptfeld«icklungen S, S' im Hauptstromkreis P liegen. Im Nebenschluß dazu liegen
die entsprechenden Nebenfeldwicklungen H, H'.
Unmittelbar hinter der Sicherung
N ist an geeigneter Stelle ein Stromunterbrecher B in den Hauptstromkreis P eingeschaltet,
der mit einem Bremsungsrelais L elektrisch oder mechanisch verbunden ist, welches
mit einem Bremswiderstand A den Kurzschlußstromkreis des Hauptstromes bildet.' Der
Steuerstromkreis V des Stromunterbrechers B liegt im Neb.enschluß zum Hauptstromkreis
und führt . hinter der Sicherung Q zu den. Kontakten i o,-i i _bzw. i o', i i' des
Fahrschalters C bzw. C. Im gleichen Stromkreis liegt ein Kontakt eines üb.erspannungsrelais
W, dessen Steuerstrom einer Abzweigung WI des Hauptstromkreises entnommen wird.
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Der StromunterbrecherB, der üblicherweise zum Schutz des Fahrschalters
gegen Störungsfunken bei starken Strömen dient, wird in der vorliegenden Schaltanordnung
in ganz anderer Weise verwendet. Er soll nämlich nur bei der Rückkehr von der letzten
Serienstellung ohne Anfahrwiderstände zur Nullstellung die Verbindung der Motoren
mit dem Netz unterbrechen. Eine weitere Verwendung des Stromunterbrechers tritt
ein, wenn eine Überspannung bei der Stromrückgewinnung eintritt. Man kann nämlich
annehmen, daß die Verbindung mit dem Unterwerk unterbrochen wird oder der Stromabnehmer
entgleist. In diesem Fall könnten die Verbundmotoren zwischen den Klemmen eine gefährliche
Spannung erzeugen. Deshalb ist das Höchst- oder überspannungsrelais W im Motorenkreis
vorgesehen. Dieses bewirkt durch seinen Kontakt die Unterbrechung des Steuerstromkreises
V des Stromunterbrechers B. Eine «eitere Eigentümlichkeit des Stromunterbrechers
B besteht darin, daß beim Offnen des Hauptstromkreises des Unterbrechers B das Bremsrelais
L anspricht und die Motoren über den Bremswiderstand .f] kurzschließt. Auch
ist eine Haltewicklung an diesem Bremsrelais vorgesehen, damit der Kurzschlußkreis
geschlossen bleibt, solange die Motoren Strom erzeugen.
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Die Anlage wird durch Widerstände zur Regelung der Nebenschlußerregung
und Anlaß@viderstände vervollständigt. Die Schaltung gemäß der Erfindung benötigt
einen Fahrschalter, der das Anfahren mit Widerständen und die Feldregelung gestattet.
Die Anlaßwiderstände sind mit Rücksicht auf die geringeren Stromstärken kleiner
bemessen als bei gewöhnlichen Serienmotoren, da es sich meist um eine Feldregelung
handelt. Sobald man die Stellung ohne Anfahrwiclerstände erreicht hat, beginnt die
Feldregelung, die sowohl bei der Reihen- wie bei der Parallelschaltung möglich ist.
Im umgekehrten Fall sind die Verhältnisse umgekehrt.
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Nun muß beim Übergang von Parallelzu Reihenschaltung eine besondere
Vorsichtsmaßnahme getroffen werden. Ein Widerstand 0 wird zwischen den Motoren zeitweise
eingeschaltet. Dieser Widerstand dient ebenfalls auch zum Übergang von Reihen- auf
Parallelschaltung. Die Einschaltung des Widerstandes 0 kann in beliebiger Weise
erfolgen. In den Abb. a und .3 ist eine entsprechende Ausführung beispielshalber
dargestellt, die auf der Welle i des Fahrschalters angeordnet wird; der letztere,
weist in üblicher Weise eine Reihe von schraubenförmig versetzten Kontaktsegmenten
auf, die in bekannter Weise bei den verschiedenen Stellungen der Welle i zur Berührung
mit Kontaktfingern gelangen und so verschiedene Stromkreise untereinander verbinden.
Die Well#@ i greift m eine metallene Nabe z unter Zwischenschaltung eines sie isolierenden
Futters 3 ein. Auf der Nabe 2 sitzt ein Mitnehmerstift 4. fest, der in einer durch
die Flächen 5«, 511 begrenzten Ausnehmung eines frei auf die Nabe aufgesetzten Sektors
5 spielt. Der letztere kann mittels des Stiftes ¢ zur Berührung mit einem festen
Kontakt bzw. einem Kontaktfinger 6 gelangen. Der Sektor 5 ist an ein Ende des zeitweise
zwischen den Motoren eingeschalteten Widerstandes O und der Finger 6 an dessen anderes
Ende angeschlossen, so daß durch Kontakt des Sektors 5 mit dem Finger 6 der Widerstand
O kurzgeschlossen wird:
Der Stromunterbrecher B wird durch an den
Fahrschaltern angeordnete Verriegelungsvorrichtungen des ersteren, vervollständigt.
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In den gab. ¢, 5 und 5a ist beispielsweise eine Ausführungsform einer
Verriegelung dargestellt. Abb.5 zeigt die Vorrichtung bei offenem Stromunterbrecherkreis
und Abb.5a bei entsprechend geschlossenem Kreis.
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Auf der Welle i des Fahrschalters ist eine Scheibe 7 aufgekeilt, auf
welcher ein Reibbügel 8 befestigt ist, der'seinerseits mit einem Anschlag 9 und
einem Kontakt io versehen, mit zwei festen Gegenkontakten i i zusammenarbeitet und
dadurch den Steuerstrom einschalten oder unterbrechen kann. Auf der Welle i ist
ferner eine Scheibe 12 mit zwei verschiedene Durchmesser besitzenden, durch eine
Auflauffläche 13 verbundenen Führungsflächen fest angebracht, gegen welche ein Hebel
15 mit zwei Schenkeln 16 und 17 unter Wirkung .einer Feder 1 4. anliegt. Dieser
Hebel kann um eine am Vorsprung 19 des Fahrschalters angeordnete Achse 18 hin und
her schwingen; der- Arm 17 des Hebels lehnt sich gegen den Anschlag 9 dies Bügels
8 an.
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In der Ruhestellung nehmen die verschiedenen Teile die in Abb. 5 gezeigte
Lage ein. Das Ende 16 des Hebels 15 liegt hierbei an der Stelle der Führungsfläche
geringeren Durchmessers an die Scheibe 12 an. Wird die Welle i im Sinne des Pfeiles
f gedreht, so erfolgt zwischen dem Kontakt io und seinen Gegenkontakten 1 i Berührung.
Der Anschlag 9 nimmt dann die in Abb. 5a gezeigte Lage ein. Ist die Welle des Fahrschalters
in die der Ausschaltung der Anlaßwiderstände entsprechende Stellung gedreht, so
liegt der Arm 16 des Hebels 15 auf der Führungsflache der Scheibe 12 mit. größerem
Durchmesser an, wobei der Arm 17 sich vor den Anschlag 9 legt und ein Zurückdrehen
verhindert. Man kann also die Welle des Fahrschalters für sämtliche der Ausschaltstellung
der Anlaßwiderstände folgenden Stellungen in beiden Richtungen drehen, ohne den
Kontakt zwischen io und i i und somit die Speisung der Motoren zu unterbrechen.
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Die Entriegelung des Bügels 8 erfolgt durch die Rückdrehung der Fahrschalterwelle
im Moment der erneuten Einschaltung der Anlaßwiderstände in den Stromkreis.
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Vor Beschreibung der Wirkungsweise der den Gegenstand der Erfindung
bildenden Ausrüstung sei unter Bezugnahme auf die Schaltungsschemas nach Abb. 6
bis i z kurz auf das bei den Reihenmotoren übliche Schaltverfahren zum Übergang
von der Reiben- zur Parallelschaltung sowie auf die Nachteile eingegangen, die sich
bei Anwendung eines solchen Schaltverfahrens bei Verbundmotoren ergeben. Schließlich
wird im Lichte dieser Ausführungen die Wirkungsweise der den Gegenstand der Erfindung
bildenden Schaltanordnung beschrieben.
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Die Schemas 6, 7 und 8 stellen Stromkreise dar, die mit einem üblichen
Fahrschalter durch die Brückenmethode im Falle von Reihenmotoren hergestellt werden;
in diesen drei Schemas sind nur die Felder Ui, U2 und die Anker der Motoren Ml,
M2 dargestellt. Beim Schema 6 wird der Strom von einer Leitung T zugeführt, der
Erdanschluß erfolgt bei g, die Reihenschaltung der beiden Motoren l171, M2 wird
durch die Brücke a, b gesichert und die Kontakte c, d sind frei. -Das
Schaltungsschema 7 entspricht der ersten Übergangsstufe, bei der die Kontakte c,
b und d, g untereinander verbunden werden; der Strom fließt nun teilweise durch
die Motoren und zweigt teilweise im Sinne des Pfeiles f ab, wobei der durch
T, c, b, a, d, g fließende Strom durch zwischen den Stellen c, b und d"
u angeordnete Widerstände rl und r-' gedrosselt wird. Beim Schema 8 erfolgt
der Übergang durch Abschalten der Brücke a, b
und Kurzschließen der Widerständen
und r=; klarheitshalber sind in dieser Abbildung die Widerstände nicht dargestellt.
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Bei Verbundmotoren in Brückenschaltung würden hingegen in den verschiedenen
Stromkreisen Ströme fließen, die sich wie folgt zusammensetzen: -i. der Strom il,
der durch den als Generator wirkenden Motor im Stromkreis T, c, b,
a, M,
T erzeugt wird; a. der Strom i2, der durch den als Generator arbeitenden Motor
M' im Stromkreis AI', b, a, d, g erzeugt wird; der Strom i3, der durch die
Spannung der Leitung im Stromkreis T, c. b, a, d, ä be-
dingt ist;
der die beiden in Serie geschalteten Verbundmotoren durchfließende Strom 1; 5. die
Ströme il', i5, die sich bei Parallelschaltung der Motoren ergeben.
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Die Ströme!' und i2 erzeugen eine kräftige Bremswirkung, die eine
Verlangsamung des Wagens verursacht und beim Abschalten der Brücke a, b eine
plötzliche Beschleunigung zur Folge hat; diese Abschaltung- verursacht einen kräftigen
Lichtbogen, da es sich hierbei um große Stromstärken handelt.
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Geht man von der Parallelschaltung zur Reihenschaltung über, so bleiben
die Ströme die gleichen, aber 1 wechselt die Richtung, da die Motoren als Generatoren
arbeiten; die Folge ist eine neuerliche kräftige Bremswirkung. .
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Um diesen Übelständen abzuhelfen, ist gemäß der Erfindung die Anordnung
folgendermaßen getroffen: Der oben angedeutete Widerstand 0 wird an der Brücke angeordnet
und
bei Reihenschaltungsbetrieb (Schema io) durch eine Verbindung a', b' kurzgeschlossen.
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Der Übergang von Reihen- auf Parallelschaltung erfolgt in zwei Stufen:
Zunächst wird der Widerstand O eingeschaltet und die Verbindung der Punkte
c, b und a, d, g
(Schema i i) hergestellt, worauf die Leitungen a"a',
b, b' unterbrochen werden (Schema 12).
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Die in der Brücke fließenden Ströme ü, 12, 13 werden auf diese Weise
herabgesetzt, während die Motorströme 14, i5 ihren normalen Wert besitzen.
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Bei umgekehrter Schaltung, also beim Übergang von Parallel- auf Reihenschaltung,
wirkt der Widerstand O in gleicher Weise, wobei aber seine Wirkung gemäß einer Vorrichtung,
wie die Abb.2 und 3, verlängert ist.
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Die betreffende, die verschiedenen Steuerungen mechanisch ermöglichende
Vorrichtung arbeitet wie folgt: Der annahmeweise den Kontaktfinger 6 berührende
Sektor 5 befindet sich in der dem Reihenbetrieb der Motoren entsprechenden Lage,
d. h. -der Widerstand O ist bei Berührung - von 5, 6 kurzgeschlossen (Abt, 2, Schema
io). Betätigt man nun die Fahrschalterwelle i zur Parallelschaltung der Motoren,
so durchläuft der Stift ¢ den Raum zwischen den Kanten 5b und 5a bis zum Augenblick,
da unter Vermittlung der Segmente und Kontakte des Fahrschalters sämtliche Vorrichtungen
für den Parallelbetrieb geschaltet, d. h. entsprechend dem Schema i i verbunden
sind. Von diesem Zeitpunkt an nimmt der Stift ¢ den Sektor 5 mit, der sich
also von seinem Kontakt 6 löst und den Widerstand O @einschaltet (Schema i i). Die
weitere Bewegung der Kurbel bewirkt die Ausschaltung dieses Widerstandes nach Beendigung
des Überganges von Reihen- auf Paxallelschaltung (Schema 12). Will man hingegen
zur Reihenschaltung zurückkehren, so wird der Sektor 5 dem Kurzschlußkontäkt zugeführt,
erst nachdem der Stift ¢ den Winkel zwischen den Flächen 5a, 5b durchgelaufen hat.
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Die Ausrüstung von Fährzeugen mit einer Schaltvorrichtung gemäß der
Erfindung bietet große Vorzüge, da sie ein sparsames Anlassen und eine beträchtliche
Wiedergewinnung von Strom gestattet.
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Früher wurde von Null bis zur Höchstgeschwindigkeit rückgewonnen,
aber mit Hilfe einer Erregermaschine.
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Gemäß der Erfindung wird auf volle Stromrückgewinnung verzichtet und
letztere nur zwischen bestimmten Geschwindigkeitsgrenzen, beispielsweise 3o bis
51nn/Std., ausgenutzt. Unterhalb dieser Grenze, die übrigens von der Bauart der
Motoren abhängt, wird die Energie in einem Kurzschlußkreis vernichtet. Zwischen
5 und 3o km/Std. gibt es für jede Stellung der Fahrschalterkurbel eine kritische
Geschwindigkeit; unterhalb derselben hat man den Fahrbetrieb, oberhalb den Rückgewinnungsbetrieb.
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Obwohl man also, wie aus der Beschreibung hervorgeht, auf eine weitgehende
Stromrückgewinnung verzichtet; kann trotzdem der größte Teil der Energie wiedergewonnen
werden. Da diese Energie dem Quadrat der Geschwindigkeit proportional ist, hat man
z. B. für eine 5-km-Stundengeschwindigkeit nur i/36 der Energie zu vernichten, die
man für eine 3o-km-Stundengeschwindigkeit zur Verfügung hatte. Auch ist zu bemerken,
daß für jede Stellung der Kurbel die Regulierung ohne Zutun des - Wagenführers eintritt,
was für einen Stadtbetrieb von größerer Bedeutung ist. Man sieht auch, daß diese
Vorrichtung für einen fahrplanmäßigen Betrieb außerordentlich geeignet ist, da der
Führer die Stellung seines Fahrschalters wählen kann, um eine gewisse Geschwindigkeit
zu erzielen, ähnlich wie bei einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmaschine.
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Die Erfindung ist für irgendeine Zahl von Verbundmotoren anwendbar.