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Elektrisches Triebfahrzeug mit eingebauter Gleichrichteranlage Es
ist bereits bekannt, elektrische Triebfahrzeuge, insbesondere Lokomotiven und Triebwagen
von Wechselstrombahnen, mit Ouecksilberdampfgleichrichtern auszurüsten. Die auf
den Fahrzeugen eingebauten Gleichrichter erfüllen hierbei lediglich den Zweck, den
ihnen zugeführten Wechselstrom in Gleichstrom umzuformen, der dann entweder den
Gleichstrommotoren des Fahrzeuges zugeführt oder zum Aufladen von Sammlerbatterien
benutzt wird; gegebenenfalls ist dabei auch Vorkehrung getroffen, daß die Gleichrichter
bei hoher Belastung parallel mit der Batterie auf die Motoren arbeiten und bei kleiner
Belastung neben dem Motorenstrom auch noch Ladestrom in die Batterie liefern können.
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Neuerdings hat man auch bereits Lokomotiven mit Gleichrichtern ausgerüstet,
die mit aufladbaren Hilfselektroden, z. B. eingebauten Gittern oder äußeren Belägen,
versehen sind.
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Die Arbeitsweise solcher Steuergleichrichter beruht bekanntlich auf
dem Prinzip, daß das Zünden eines Lichtbogens zwischen einer betriebsbereiten Kathode
und einer positiv aufgeladenen Anode durch eine in der Entladungsbahn liegende negative
aufgeladene Hilfselektrode verhindert werden kann, welch letztere hingegen nicht
befähigt ist, einen schon brennenden Lichtbogen zu löschen, sondern erst wieder
in Wirkung tritt, wenn die der Anode zugeführte Wechselspannung durch Null hindurchgegangen
ist. Als solche Hilfselektroden verwendet man in Großgleichrichtern mit Metallgefäß
in die Anodenschutzrohre eingebaute Gitter, während man bei Glasgleichrichtern entweder
ebenfalls Gitter in die Anodenarme einsetzt oder aber an ihrer Stelle die Anodenarme
mit äußeren Belegungen umgibt, die an Steuerspannungsquellen angeschlossen werden
können.
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Die Steuerung kann , dann z. B. in der Weise erfolgen, daß man den
Zeitpunkt des Zündens jeder Anode durch Anlegen geeigneter Steuerspannungen an die
Gitter oder Beläge in dem gewünschten Grade verzögen, womit man die Brennzeit jedes
einzelnen Anodenlichtbogens vermindert und dementsprechend die Stromstärke des gesamten
von dem gesteuerten Gleichrichter abgegebenen Gleichstromes herabsetzt. Als Steuerspannung
kann eine Wechselspannung dienen, deren Phase in" bezug auf die Phase der zugehörigen
Anode veränderbar ist oder deren Effektivwert ohne Phasenverschiebung verändert
wird. Vorteilhaft ist es übrigens, der die Steuergitter speisenden Wechselstromquelle
eine variable Gleichstromvorspannung in bezug auf die Gleichrichterkathode zu erteilen.
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Solche Gleichrichter sind in erster Linie dazu bestimmt worden, Spannungen
und Leistungen stufenlos innerhalb weitester Grenzen
zu regeln,
und sie gestatten es tatsächlich, diese Regelung nahezu verlustlos mit außerordentlich
kleinem Steuergerät zwischen o und ioo °/D zu regeln, und zwar brauchen für die
Regelung selbst sehr hoher Leistungen nur verhältnismäßig kleine Hilfsenergien zu
Steuerzwecken aufgewendet au werden. Dies gilt vor allem für aus Wechselstromnetzen
beliebiger Phasenzahl gespeiste Bahnanlagen.
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Man hat auch bereits vorgeschlagen, mit Hilfe gesteuerter Gleichrichter
eine gerade im Bahnbetrieb häufig auftretende Aufgabe zu lösen, die bisher nur mit
rotierenden Umformern durchzuführen war, nämlich beim Bremsen, oder bei Talfahrten
gewonnene Energie in das speisende Netz zurückliefern, und zwar trotz ungestörter
Ventilwirkung in dem Gleichrichter. Eine Umkehr der Stromrichtung im Gleichrichter
ist zwar wegen seiner Ventilwirkung nicht möglich, wohl aber kann man die Spannung
umkehren und diese umgekehrte Spannung auf der Gleichstromseite des Gleichrichters
in durch seine Steuervorrichtung bestimmbaren Zeitpunkten der vorn Gleichrichtertransforniator
gelieferten Spannung entgegenarbeiten lassen und so eine Energierückgabe erzielen.
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Schließlich ist eine Anordnung bekannt, bei der die aus der Fahrleitung
entnommene Gleichstromenergie einem aus gesteuerten Entladungsstrecken bestehenden
Wechselrichter zugeführt wird, der den Gleichstrom in Wechselstrom umformt. Letzterer
wird alsdann einem ebenfalls aus gesteuerten Entladungsstrecken bestehenden Umrichter
zugeleitet, der den Wechselstrom in einen solchen gewünschter Frequenz umwandelt,
und mit diesem Wechselstrom werden die Antriebsmotoren des elektrischen Triebfahrzeuges
gespeist. Es ist jedoch leicht ersichtlich, daß eine solche doppelte Umformung in
zwei verschiedenen Aggregaten sowohl eine sehr bedeutende Mehrbelastung als auch
eine Verminderung der Wirtschaftlichkeit als auch eine höchst unerwünschte Komplizierung
der an sich schön mannigfaltigen und schwierigen Regelung und Steuerung eines Triebfahrzeuges
darstellt und deshalb dieser Vorschlag bisher keinen Eingang in die Praxis finden
konnte.
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Die. besondere Ausbildung des Steuergleichrichters und seine Betriebsweise
bilden jedoch nicht den Gegenstand der Erfindung, sondern das Wesen der Erfindung
besteht darin, daß bei einem elektrischen Triebfahrzeug mit einer Gleichrichteranlage,
die mindestens ein durch aufladbare Hilfselektroden (eingebaute Gitter oder äußere
Beläge) gesteuertes elektrisches Entladungsgefäß zur Energielieferung, zur Regelung
der von ihm abgegebenen.Energie und zur Stromrückgewinnung umfaßt, zusätzliche Steuer-
und Umschalteinrichtungen vorgesehen sind, die dieselben Entladungsgefäße auch zur
Stromwechselrichtung und zur Stromumrichtung (Frequenzwandlung) geeignet machen
auch beim Übergang des Fahrzeuges auf eine andere Speisestroinart im Netz. Die gesteuerten
elektrischen Entladungsgefäße gestatten es nämlich, nicht nur Gleichstrommotoren
auf der Lokomotive aus einem Wechselstromnetz zu speisen, deren Spannungen zu regulieren
und Energie von diesen Motoren im Falle der Netzbremsung an das Wechselstromnetz
zurückzugeben, sondern mit Hilfe derartiger gesteuerter elektrischer Entladungsgefäße
ist es auch möglich, Wechselstromantriebsniotoren aus einem Gleichstromnetz zu speien
oder Wechsel stromantriebsmotoren aus einemWecliselstroinnetz anderer Frequenz zti
betreiben. Gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt nun die Gleichrichteranlage
auf dein elektrischen Triebfahrzeug zusätzliche Steuer-und Umschalteinrichtungen,
durch die je nach der Speisestromart im Bahnnetz eine Unischaltung der gesteuerten
elektrischen Entladungsgefäße vorgenommen wird.
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Ausführungsbeispiele, wie sie in den Zeichnungen dargestellt sind,
veranschaulichen, wie diese zusätzlichen Steuer- und Umschalteinrichtungen beschaffen
sein können.
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Aus den Fig. i a und i b ist ersichtlich, daß als Antriebsmotoren
des Fahrzeuges Gleichstrommotoren vorgesehen sind, die sowohl aus einem Wechselstromnetz
als auch aus einem Gleichstromnetz vermittels der Entladungsgefäßanlage gespeist
werden können. Zu diesem Zweck wird das Entladungsgefäß vorteilhaft mit zwei Anodensätzen
:2 und 3 ausgerüstet, die mit Hilfe der Schalter 4 und 5 an die der jeweils vorhandenen
Speisestromart entsprechenden Transformatoranzapfuhgen 6 und 7 angeschlossen werden.
Für die Steuerung der Gitterspannungen ist ein Regelapparat ä vorgesehen, der mit
Hilfe der Kontaktscheibe g die Gitter der Anoden mit den entsprechenden Zündspannungen
beliefert. Selbstverständlich kann statt der Kontaktscheibensteuerung auch eine
der bekannten anderen Steuereinrichtungen für dengleichen Zweck verwendet werden.
Ferner sind Schalter io und i i angeordnet; die die erforderlichen Umschaltungen
in den Hauptstromkreisen der Anlage bewerkstelligen, und zwar ist die Stellung der
Schalter nach Fig. i a derart, daß das Entladungsgefäß als Gleichrichter arbeitet,
-und nach Fig. i b derart, daß der den äußeren Anoden des Entladungsgefäßes zugehörige
Stromkreis als Wechselrichter und der den inneren Anoden zugehörige Stromkreis als
Gleichrichter arbeitet. Hierzu ist es ferner erforderlich, daß
Schalter
15 und- 16 eine entsprechende Umschaltung der Gitterkreise vornehmen.
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Es sei schließlich darauf hingewiesen, daß sämtliche Schalter derart
mifeinander gekuppelt werden können, daß durch Betätigung eines Schaltvorganges,
gegebenenfalls selbsttätig, entsprechend Änderungen der Speise-'stromart die Umschaltung
vorgenommen werden kann.
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In gleicherweise wie bei denAusführungsbeispielen kann auch die Entladungsgefäßanlage
derart eingerichtet werden, daß sie zum Betrieb von Wechselstrormnotoren entweder
aus Gleich- oder Wechselstromnetzen dient, und ferner ist es möglich, die Entladungsgefäßanlage
derart auf einem Fahrzeug anzuordnen, daß sie nur als fahrende Kraft- bzw. Umformerstation
dient und zur Kupplung mit entsprechendenAntriebswagen vorgesehen ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bei Vorhandensein von Wechselstrommotoren
zeigen die Fig. 2 a und 21).
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Mit 21 ist das Entlaclungsgefäß mit den Anodensitzen 22 und 23 bezeichnet.
In den Anodenleitungen liegen die Mehrfachumschalter 24 und 25. Der Haupttransformator
26 besitzt drei \,#%icklun;en, von denen die Primär- (obere) Wicklung über den Schalter
27 und den Stromabnehmer mit der Fahrleitung in Verbindung steht. Als Antriebsmotor
ist der übliche Koinmutatorreilienschlußinotor 28 gewählt, der über einen Spartransformator
29 mit der Entladungsgefäßanlage verbunden ist. Es können selbstverständlich auch
andere Motoren, z. B. Induktionsmotoren, benutzt werden. Zur Beaufschlagung der
Steuergitter der Entladungsstrecken mit Steuerspannungen ist eine rein elektrisch
wirkende Steuerapparatur 30 vorgesehen im Gegensatz zu den Fig. i a und i
b, , in denen ein mechanischer Kontaktsteuerapparat benutzt ist. Es kann jedoch
auch im vorliegenden Falle, falls gewünscht, eine solche Steuerung verwendet werden.
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Die Fig. 2 a zeigt die Stellung der Schalter in der Anlage bei Betrieb
des Fahrzeuges an einer Wechselstromfahrleitung. In diesem Falle arbeitet dis Anlage
als Umrichter und führt unmittelbar den Antriebsmotoren den verlangten Wechselstrom
zu. Geht das Fahrzeug zu einer mit Gleichstrom gespeisten Fahrleitung über, so nehmen
die Schalter die in Fig. 2 b gezeigte Stellung ein, und nun arbeitet die Entladungsgefäßanlage
als. Wechselrichter, d. h. sie formt den Speisegleichstrom unmittelbar in den für
die Antriebsmotoren benötigten Wechselstrom um.
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Aus dem Gesagten erhellt, daß ein Triebfahrzeug mit eingebauter Steuergleichrichteranlage
nicht nur von stationären Umformeranlagen vollkommen unabhängig ist, was an sich
schon einen wesentlichen Vorteil bedeutet, sondern daß es auch ohne Rücksicht auf
seine Motorenanlage, mag diese nun für Gleichstrom- oder Wechselstrombetrieb eingerichtet
sein oder sogar Gleich- und Wechselstrommotoren gemeinsam umfassen, aus einem beliebigen
Netz (ein- oder mehrphasigem Wechselstromnetz mit beliebiger Frequenz oder Gleichstromnetz)
betrieben werden kann. Es kann also auf den verschiedensten Bahnstrekken eingesetzt
«erden, wo es jeweils notwendig ist. Die Möglichkeit, die vielfältigen Leistungen
der Steuergleichrichteranlage mit sehr kleinen Steuergeräten und sehr geringen Energien
zu erreichen, ist zudem gerade im Bahnbetriebe wegen der damit verbundenen Gewichtsersparnis
besonders wichtig. Als Fahrzeuge, die für Gien Einbau von Steuergleichrichtern in
Frage kommen, seiet' insbesondere elektrische Lokomotiven, Triebwagen und sogenannte
Turinwagen erwähnt.
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Es sei schließlich noch erwähnt, daß vor vielen Jahren ein Vorschlag
gemacht wurde, ein Triebfahrzeug mit Wechselstromantriebsmotoren auszurüsten und
mit solchen Einrichtungen zii versehen (Umformern, Reglern, Schaltern, usw.), daß
es auf Wechselstrom- und Gleichstroinfahrleitungen betrieben werden kann. Gegenüber
diesem Vorschlag weist jedoch die vorstehend beschriebene Erfindung außer den bekannten
Vorteilen, die im Zuge der Entwicklung durch die Verwendung von Entladungsgefäßen
auf Triebfahrzeugen erzielt wurden, die sehr bedeutende Verbesserung und sehr beachtliche
Erhöhung der Wirtschaftlichkeit auf, daß nur ein Umformer für alle Stromarten auf
dein Triebfahrzeug vorhanden ist.