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Schaltungsanordnung zur Rückgewinnung von Energie für elektrische
Lokomotiven Bei den elektrischen Lokomotiven mit Gleichstrommotoren, die während
des Fahrens als Hauptschlußmotoren geschaltet sind, wird die Rückgewinnung der Energie
beim Bremsen auf abfallenden Strecken in der Weise durchgeführt, daß die Erregerwicklungen
der Motoren mit Hilfe einer unabhängigen Stromquelle gespeist werden, die aus einem
Gleichstromgenerator besteht. Die Stärke des Rückgewinnungsstromes und die Geschwindigkeit
der Lokomotive werden durch Veränderung .der Stärke des von der unabhängigen Stromquelle
gelieferten Stromes geregelt, indem die von der unabhängigen Stromquelle gelieferte
Spannung geregelt oder ein regelbarer Widerstand mit den Erregerwicklungen der Motoren
in Reihe geschaltet wird.
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Abb. z der beiliegenden Zeichnung stellt ein bekanntes Schaltungsschema
für Gleichstromlokomotiven dar. Es wird angenommen, daß die Lokomotive durch zwei
parallel geschaltete Motoren M1, M2 angetrieben wird. Man kann aber auch eine geringere
oder größere Zahl von Motoren annehmen, deren Ankerwicklungen parallel oder in Reihe
geschaltet sind. Ein Regelwiderstand R ist zwischen die Ankerwicklungen und die
Erde geschaltet. Dieser Widerstand wird vom Rückgewinnungsstrom und vom Erregerstrom
durchflossen und bildet den wesentlichen Teil dieser Anordnung. Die Anwesenheit
dieses Widerstandes R bewirkt ein dem Rückgewinnungsstrom proportionales Abfallen
der Spannung an den Enden des Regel-Widerstandes R und infolgedessen eine Herabminderung
des Erregerstromes, wenn die Spannung an den Klemmen der Erregermaschine E als unveränderlich
angenommen wird.
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In diesem bekannten Schaltungsschema beansprucht die Erregermaschine
zu viel Platz und wird zu schwer, was bei den Lokomotiven sehr nachteilig ist. Außerdem
hängt die Arbeitsweise der Einrichtung von der Leitungsspannung und der Geschicklichkeit
des Führers ab; jeglicher Steuerungsfehler kann während der Rückgewinnung übermäßige
Geschwindigkeit und einen schlechten Kommutierungsvorgang zur Folge haben.
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Es ist bekannt, in Fällen, in denen vier Gruppen von gleichen Motoren
zur Verfügung stehen, alle ihre Ankerwicklungen in einer solchen Weise anzuordnen,
daß dieselben die vier Seiten eines Vierecks bilden, dessen eine Diagonale durch
die Stromzuführungsleitung, den Generator des Kraftwerks und die Erdleitung gebildet
wird, während in der anderen Diagonale sämtliche Feldwicklungen der Motoren, zueinander
und mit einem zusätzlichen Widerstand in Reihe geschaltet sind. Außerdem sind die
Feldwicklungen der zwei Motoren oder Gruppen von Motoren, welche auf gegenüberliegenden
Seiten des Vierecks liegen, im Nebenschluß zu einem regelbaren Widerstand geschaltet.
Bei dieser Anordnung bestehen zahlreiche Nachteile. Die Durchführung der Stromrückgewinnung
ist überwiegend von dem remanenten Magnetismus abhängig, welcher immer schwach ist.
Die
Erregerströme der verschiedenen Gruppen sind unter sich nicht gleich. Die Anlage
ist nur für eine Anzahl von Motoren, die ein Vielfaches der Zahl vier darstellt,
anwendbar4-Die können Feld- nicht und je Ankerwicklungen nach Bedarf parallel der
MotorenIn- oder . Reihe '.-zueinander geschaltet werden.
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Es ist bereits vorgeschlagen -worden, Motoren mit verschieden großen
Ohmschen Widerständen ihrer Anker oder Motoren mit verschiedener Leistung oder Motoren
mit in der Mitte unterteilten Erregerwicklungen in den Zweigen einer Wheatstoneschen
Brücke anzuordnen, wobei im letzteren Fall die eine Hälfte der Erregerwicklungen
in Reihe mit dem Anker geschaltet ist. Andere Vorschläge gehen dahin, auf einer
Seite der Brücke zwei oder .mehrere unter sich parallel geschaltete Motoren anzuordnen,
während auf der anderen Symmetrieseite der Brücke die Motoren in Reihe geschaltet
sind.
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Außerdem,-was noch nachteiliger ist, er---folgt _der Beginn der Stromrückgewinnung
auf Grund des sehr schwachen remanenten Magnetismus in dem Eisen des Motors. Um
hierbei eine genügend große elektromotorische Kraft 'im Anker und im Zusammenhang
'damit -einen .genügend- starken Rückgewinnungsstrom zu erhalten, müssen die Motoren
und damit =das- von diesen angetriebene Fahrzeug eine hohe Geschwindigkeit anneh@rien,
was--für - die Betriebssicherheit einen schwerwiegenden Nachteil bedeutet.
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Die Erfindung betrifft eine. Schaltungsanordnung für die Rückgewinnung
von Energie- für , elektrische Lokomotiven mit einer beliebigen Äiiaahl von . Gleichstromhauptschlüß'motoren,
bei welcher die Feld- .und Ankerwicklungen der Motoren ins einem Stromkreis nach
dem System einer Wheatstoneschen Brücke geschaltet sind, deren eine Diagonale 'die-
Feldwicklungen enthält, während die andere Diagonale die, Stromzuführungsläitung
und für ein Zurckfließen -der Ströme die Erde enthält. Das wesentliche Kennzeichen
der Erfindung b_ esteht darin, daß die .eine Diagonale auch. alle Ankerwickluxigen
der Mbtoren enthält unddrei der. vier Zweige der Wheatstoneschen Brücke durch zusätzliche
Widerstände gebildet'iverden, -während der vierte eine Erregermaschine enthält.
Dieses System zeigt folgende Eigenschaften: i: Die -Leistung der Erregermaschine,
welche die Erregerwicklungen der Motoren speist; ist bedeutend kleiner *als jene,
-welche -Tön ' anderen. Rückgewinnungssystemen benötibdt wird,-in -welchen
die Erregung-der Motoren auch -von- einer iiiialihängigen Erregerris.sehine =gespeist
wird (wie nach dem bekannten Schema, welches k Abb. i- dargestellt ist). Dies--rührt
davon her, daß nach` dem in Abb. 2 dargestellten Schema der Erregerstrom, welcher
durch die Erregerwicklung der ,.Motoren fließt, nur zum kleinen Teil von der üfgbhängigen
Erregermaschine geliefert wird, ,
fhrend der zrößte Teil des Erregerstrornes
eäüs ;einer Abzweigung des Rückgewinnungssfromes besteht.
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2. Durch geeignete Wahl der Größe der unveränderlichen Widerstände:
des Stromkreises kann ohne -Mithilfe des. Führers das Verhältnis zwischen der Stärke
des Stromes, welcher die Ankerwicklungen durchfließt, und der Stärke des .die Erregerwicklungen
durchfließenden Stromes sehr nahe an dem Wert gehalten werden, welcher .den günstigsten
Kommutierungsvorgang bei den Motorbürsten gewährleistet.
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3. Nach dem Schema der Abb. i sinkt beim Öffnen des Hauptschalters,
welcher den Rückgewinnungsstrom unterbricht, plötzlich die -Spannung am Ende des
Widerstandes R, und dementsprechend wächst.der Strom, welcher von der Erregermaschine
den Erregerwicklungen der Motoren geliefert wird, so daß genannter Hauptschalter
sich somit in dem Augenblick öffnet, in welchem die Erregung der Motoren ihren größten
Wert erreicht. Nach dem Schema der Abb.2 ist dies dagegen nicht der Fall, da der
Erregerstrom der Motoren zum größten Teil aus dem Rückgewinnungsstrom abgeleitet
-wird, -wenn dieser Strom von dem Hauptschalter unterbrochen wird, so daß. .der
Strom, welcher von der Erregermaschine geliefert wird,`zwar in gleicher Weise wächst
wie im ersten Fall,'aber sein Wert .den Wert, welchen der Erregerstrom der Motoren
_ während- der Rückgewinnung aufweist, nie übersteigt uiid manchmal sogar kleiner
bleibt. Auf diese Weise wird die Spannung an den Klemmen .der Motoren beim Öffnen
.des Schalters auf ein Minimum verringert und damit die Funkenbildung
-am Kommutator verhütet.
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Andererseits haben nach diesem System alle Motoren dieselbe Leistung,
- so daß ihre Herstellung sehr-billig ist und die Betriebs-und die Wartungskosten
sehr verringert werden. Außerdem erreicht man eine hohe Erregung, auch wenn die
Motoren bei sehr verminderter Geschwindigkeit laufen, -was für die Betriebssicherheit
von großem Vorteil ist.
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Abb.2 gibt ein Ausführungsbeispiel des Schaltungsschemas gemäß der
vorliegenden Erfindung -wieder.
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Die. Erregerwicklungen ei und e2 der Motoren, von denen beispielsweise
zwei vorhanden sind, deren Zahl aber beliebig sein kann, sind unter sich in-Reihe.
geschaltet und bilden die Diagonale einer. Wheatstoneschen Brücke, deren drei Abzweige
durch die unveränderlichen Widerstände Ra, R-, R2 und deren
vierter
Zweig durch die Erregermaschine E gebildet wird. Einer der Scheitelpunkte der Brücke
ist an Erde, der andere an die unter sich parallel geschalteten Ankerwicklungen
der Motoren Ml, l112 geschaltet. In der an de letztgenannten Punkte der Brücke gelegten
Diagonale liegt auch die vom Generator G des Kraftwerks kommende Stromzuführungsleitung
und die zum Generator zurückführende Erdleitung.
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Der Rückgewinnungsstrom und der von der Erregermaschine E kommende
Strom durchfließen im gleichen Sinn den Widerstand Ra. Im Punkt A verteilt sich
der Strom auf die Erregerwicklungen ei, e2 und die Widerstände R, und R2.
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Der .die Erregerwicklungen ei, e2 durchfließende Teil des Rückgewinnungsstromes
ist um so größer, je größer der Widerstand R, gegenüber dem Widerstand R2 ist. Von
diesem Verhältnis zwischen diesen beiden Werten hängen somit die Charakteristiken
des Rückgewinnungsstromes der Lokomotive ab. Wenn diese beiden Widerstandsgrößen
einmal festgelegt sind, so hängt der die Erregerwicklungen ei, e2 durchfließende
Strom, ebenso wie der Teil dieses Stromes, welcher von der Erregermaschine E geliefert
wird, von der Stärke des Rückgewinnungsstromes ab, welcher die Ankerwicklungen der
Motoren durchfließt, und zwar, wenn der Rückgewinnungsstrom schwach ist, ist auch
der Erregerstrom, welcher die Erregerwicklungen ei, e2 durchfließt, schwach.
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Der von der Erregermaschine E kommende Teil dieses Stromes ist in
diesem Falle verhältnismäßig wichtig in bezug auf den gesamten Erregerstrom. Dennoch
ist die von der ErregermaschineE hervorgerufene Stromstärke stets schwach im Vergleich
zur Stromstärke, welche durch die Erregermaschine nach .der Schaltung nach Abb.
i geliefert wird. Wenn im Gegensatz zu dem vorher Gesagten der Rückgewinnungsstrom
beträchtlich ist, so wird der die Erregerwicklungen ei, e2 durchfließende Strom
ebenfalls beträchtlich. Der von der Erregermaschine E kommende Strom ist aber dann
verhältnismäßig weniger wichtig im Vergleich zu dem gesamten Erregerstrom und noch
schwächer als der im Zusammenwirken mit einer Stromrückgewinnung geringer Stärke
entsprechende Strom.
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Im Falle eines Kurzschlusses in der Stromzuführungsleitung beim Öffnen
des Schalters der Lokomotive ermöglicht die Schaltung nach Abb. 2 die gleichzeitige
Unterbrechung des die Anker der Motoren durchfließenden Stromes und des größten
Teiles des Erregerstromes.