-
Schaltungsanordnung für elektrisch betriebene Fahrzeuge mit Serienparallelschaltung
im Fahr- und im Bremsbetrieb Es ist bekannt, elektrische Fahrzeuge mit Verbundmotoren
auszurüsten und die Geschwindigkeit im wesentlichen durch Änderung des Nebenschlußfeldes-
dieser Motoren zu regeln. Derartige Steuerungen sind für verschiedene Betriebe nicht
besonders günstig, z. B. bei Bahnanlagen, welche gleichzeitig den Charakter des
Stadtbetriebes und des Vorortb@etriehes @aufweisen, @d. h. bei denen die Fahrgeschwindigkeit
im Innern, der Stadt sehr gering und außerhalb der bebauten Bezirke sehr groß ist.
Das gleiche gilt für solche Bahnanlagen, welche voneinander erheblich abweichende
Streckenprofile . aufweisen und bei denen es unerläßlich ist, ein starkes Drehmoment
auch bei hohen Geschwindigkeiten zu erzielen. Bei allen diesen Anlagen muß man daher
auf die Verwendung von Verbundmotoren und auch auf deren Vorteile, beispielsweise
die Nutzbremsung, verzichten.
-
Es sind ferner Schaltanordnungen bekannt, bei denen Verbundmotoren
benutzt sind, die beim Nutzbremsen in fester Reihenschaltung angeordnet sind. Bei
diesen Schaltanordnungen arbeiten die Gleichstrommaschinen beim Anfahren und bei
der normalen Fahrt in bestimmten Fahrschalterstellungen (beispielsweise t, 2, 3,
¢, 6; 7, 8) als reine Reihenschlußmotoren, und zwar arbeiten die Motoren in einigen
dieser Stellungen (beispielsweise i, 2, 3, q) in Reihenschaltung und in anderen
dieser Stellungen (beispielsweise 6, 7, 8) in Parallelschaltung. In einer zwischen
diesen Fahrschalterstellungen liegenden Stellung (beispielsweise -5) arbeiten die
genannten Maschinen als Gegenverbundmotoren, um eine wirtschaftliche Erhöhung der
Geschwindigkeit zu erzielen. Beine Nutzbremsen arbeiten die erwähnten Gleichstrommaschinen
unter Verwenduzig besonderer Fahrschalterstellungen (beispielsweiSe r, 2, 3) als
Gegenverbunderzeuger. Bei den 'bekannten Schaltanordnungen sind auch weitere besondere
Fahrschalterstellungen (beispielsweise ¢, 5, 6) für eine Widers.tandsbreinsung erforderlich.
-
Diese Schaltungsanordnungen haben zahlreiche Mängel, von denen die
wichtigsten die folgenden sind: Die Unmöglichkeit, in bestimmten Fällen eine geringe
und gleichbleibende Fahrzeuggeschwindigkeit zu erzielen, und die Notwendigkeit,
in diesen Fällen den Netzstrom dauernd hintereinander -ein- und auszuschalten. Hierdurch
sind beim jedesmaligen Anfahren Energieverluste in den Widerständen bedingt, und
@es ist kein ruhiger und stoßfreier Gang des Wagens gesichert.-Verhältnismäßig bedeutende
Änderungen der Geschwindigkeit entsprechend der Art des Streckenprofils, d. h. beim
Wechsel zwischen
ebener Strecke, aufsteigender Strecke und abschüssiger
Strecke.
-
Die Notwendigkeit, die Nutzbremsung und die Widerstandsbremsung in
Stellungen Jeä. Fahrschalters (z. B. r) 2, 3 bzw. ¢, 5, durchzuführen, die von denjenigen
Stellungeii-(z. B. i bis 8) verschieden sind, die beirrt Anfahren und bei der normalen
Fahrt benutzt werden. Hierdurch ist der Aufbau des Fahrschalters verwickelt gestaltet,
und es ist ferner unbedingt die Anordnung einer selbsttätig wirkenden Ein- und Ausschaltvorrichtung
erforderlich, damit nach dem Ende der Widerstandsbremsung die Kurbel des Fahrschalters
über die Fahrschalterstellungen für die Nutzbremsung in die Nullstellung zurückgeführt
werden kann. Außerdem ist die Betriebssicherheit vermindert, weil eine längere Bedienung
erforderlich ist, um den Fahrschalter in die Bremsstellung überzuführen.
-
Es sind auch Schaltanordnungen bekannt, bei denen Verbundmotoren mit
Reihenparallelschaltung verwendet werden, jedoch die überg,änge zwischen den verschiedenen
Schaltungen mit Hilfe der bekannten Brückenschaltung bewirkt werden.
-
Bei diesen Schaltanordnungen ist ebenfalls die Verwendung außerordentlich
verwickelter Fahrschalter erforderlich, und es ist eine sehr häufige Regelung der
vorgenannten Fahrschalter notwendig. Insbesondere ist aber bei den'erwähnten bekannten
Schaltanordnungen durch die Benutzung der drei Widerstände oder der drei Widerstandsgruppen
zur Bildung der Brücke ein beträchtlicher Energieaufwand bedingt.
-
Außerdem finden bei den bekannten Schaltanordnungen wegen der Induktionserscheinungen
in den Motoren und insbesondere in den Wicklungen der Nebenschlußerregung die Übergänge
mit mehr oder weniger heftigen Stromstößen je nach den Geschwindigkeiten statt,
mit denen diese Übergänge bewirkt werden.
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für elektrisch
betriebene Fahrzeuge mit Serienparallelschaltung im Fahr-und im Bremsbetrieb, bewerkstelligt
durch zwei oder mehr Gleichstrommaschinen, die einerseits beim Fahren als Verbundmotoren,
deren Reihen- und Nebenschlußwicklungen im gleichen Sinne wirken, geschaltet sind
und während der Reihenschaltung nach überwundener Anfahrperiode eine überwiegende
Neb.enschlußcharakteristik aufweisen, aber anderseits 'beim Nutzbremsen als Gegenverbunderzieuger,
,deren Reihenschlußwicklungen entgegeng,esetzt zu den Nebenschlußwicklungen wirken,
geschaltet sind. Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß für die Zwischenstellungen
zur Herbeiführung des Übergangs von der Reihen- auf die Parallelschaltung beim Fahren
und bei der Nutzbremsung Schaltmittel vorgesehen sind, welche die Triebmotoren durch
Schwächung der Neben-.sehlußfelder und gleichzeitige Verstärkung der #I-lauptschlußfelder
auf reine oder nahezu reine Reihenschlußcharakteristik bringen. Diese Schaltanordnung
bietet den Vorteil, daß eine geringe und gleichbleibende Geschwindigkeit bei höchstem
Kraftfluß und vom Streckenprofil im wesentlichen unabhängige Geschwindigkeiten erzielt
werden können, und zwar kann hierbei ein verhältnismäßig einfach gebauter Fahrschalter
benutzt werden. Beim Erfindungsgegenstand ist auch eiii beständiger Betrieb bei
häufigen und raschen Änderungen der Speisespannung ermöglicht, und es ist beim Anfahren
ein ruhiger und stoßfreier Gang des Wagens gesichert. Bei der Schaltanordnung nach
der Erfindung ist ferner die Nutzbremsung durch einfache Rückbewegung der Fahrschalterkurbel
auf die Stellungen, in welchen die Motoren beim Anfahren in Reihe arbeiten, ermöglicht,
d. h. beim Erfindungsgegenstand können sowohl beim Anfahren als auch beim Nutzbremsen
die gleichen Fahrschalterstellungen verwendet werden. Es braucht also die Fahrschalterkurbel
beider Bewegung aus einer Stellung für hohe Fahrgeschwindigkeit in eine Stellung
für das Nutzbremsen nicht über eine Nullstellung bewegt zu werden. Es braucht außerdem
bei der Schaltanordnung nach der Erfindung keine selbsttätig wirkende Vorrichtung
vorgesehen zu sein, welche die Motoren zum Nutzbremsen auf die Leitung schaltet.
Es sind ferner beim Erfindungsgegenstand keine besonderen Fahrschalterstellungen
für eine Widerstandsbremsung erforderlich.
-
Bei der Schaltanbrdnung nach der Erfindung sind zweckmäßig die auf
den Reihenstellungen als Verbundmaschinen arbeitenden Motoren auf den Übergangsstellungen
und auf den Parallelstellungen als reine oder nahezu reine Reihenschlußmotoren geschaltet.
Durch diese Einrichtung sind erhebliche Vorteile bezüglich ,einer weiteren Vereinfachung
des Aufbaues der Schaltungsanordnung oder bezüglich der Selbstregelung der Kraft,
welche auf Strecken .mit wenig unebenem Profil benötigt wird oder bei Strecken,
bei denen das Problem der Selbstregelung der Kraft das Problem der Regelmäßigkeit
der Fahrt beherrscht, erzielt.
-
Zur weiteren Vereinfachung der Schaltungsanordnung äst nach der Erfindung
zweckmäßig auf der ersten Übergangsstellung unter Abschaltung der N eb.enschlußerregung
die auf den Reihenstellungen hergestellte Feldschwächungsschaltung der Reihenschlußwicklungen
aufgehoben, und .es wird der Übergang durch
Kurzschließen und darauffolgendes
Abschalten des .einen Motors bewirkt. Ferner ist nach der Erfindung zweckmäßig eine
Anzapfung des im Kurzschlußkreis des einen Motors liegenden Widerstandes mit der
Fahrleitung und der äußere Endpunkt dieses Widerstandes mit dem anderen Motor verbunden,
so daß :ein Teil des Widerstandes mit diesem Motor in Reihe liegt.
-
Auf der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsformen der Schaltungsanordnung
nach der Erfindung dargestellt.
-
Fig. i bis 9 veranschaulichen .eine Steuerung für zwei Motoren, bei
welcher die Motoren auf den Reihenstellungen als Verbundmaschinen geschaltet sind
und sowohl während des Überganges von der Reihenschaltung zur Parallelschaltung
als auch auf den Parallelstellungen als Reihenschlußmotoren arbeiten.
-
Fig. i o bis 18 veranschaulichen die verschiedenen beim Anfahren hergestellten
Schaltungen für eine solche Steuerung mittels Verbundmaschinen, bei welcher lediglich
während des Überganges von der Reihen- zur Parallelschaltung eine Reihenschlußcharakteristik
der Motoren hergestellt ist.
-
In Fig. 19 bis 2 8 sind die einzelnen Phasen einer Steuerung
dargestellt, bei welcher die Motoren dauernd als Verbundmaschinen geschaltet sind.
-
In Fg. i bezeichnet i den positiven Pol des Netzes (Fahrleitung),
z den Anfahrwiderstand, 31 und. 32 die Reihenschlußwicklungen der Motoren I bzw.
1I, 41 und 42 deren Anker und 51 bzw. 52 deren. Nebenschlußwicklungen. Die Wendepol-
und Kompensationsw#icklungen sind der Einfachheit halber nicht dargestellt. Falls
solche vorhanden sind, kann man sie, als zu den Ankerwicklungen gehörig, mit den
Ankern zusammen als Schalteinheiten 41 bzw. 42 ansehen. Parallel zu den Reihenschlußwicklungen
kann man Nebenschlußwiderstände (Shunt-Widerstände) 61 bzw. 62 schalten. Mit 7 ist
der Regehviderstand für die Nebenschlußerregungen bezeichnet und mit 8 der negative
Pol des Netzes (Erdanschluß).
-
Wird von der Stellung nach Fig. i ausgegangen, d. h. von der Anfangsstellung,
in welcher die beiden in Reihe geschalteten Verbundmotoren in Reihe mit dem Ankervorschaltwiderstand
2 an Spannung gelegt sind, so werden nacheinander die folgenden Betriebsvorgänge
verwirklicht: Fig.2: Ausschaltung des Anfahrwiders.tandes z, Herstellung der Feldschwächungsschaltung
der Motoren I und II durch Herstellung eines Nebenschlusses für die Reihenschlußwicklungen
31 bzw. 32 mittels der Widerstände 61 bzw. 62. Durch die Feldschwächung wird die
Fahrgeschwindigkeit vergrößert und die Reihenschlußerregung geschwächt, so daß eine
Geschwindigkeitsbegrenzung erzielt wird und während des Bremsens die Energierückgewinnung
keine zu starke Dämpfung erfährt.
-
Fig.3: Verringerung der Nebenschlußerregung der Motoren I und II,
und zwar durch Einschaltung des Feldregelwiderstandes 7 in einer oder mehreren Stufen.
-
Fig. ¢: Erste Phase des Überganges, von der Reihen- zur Parallelschaltung.
Öffnen des Stromkreises des Nebenschlußfeldes eines jeden Motors, Wiederherstellung
der gesamten Reihenschlußerregung der Motoren I und II durch Ausschalten der lNTeb-enschlußwiderstände
61 und 62, vollständige oder teilweise Einschaltung des Anfahrwiderstandes z.
-
Fig.5: Zweite Phase des Überganges. Kurzschließen des Motors I durch
überbrükken seines Ankers 41 und der Reihenschlußwicklung 31 Fig.6: Dritte Phase
des Überganges. Abschalten des Motors I.
-
Fig.7: Vierte Phase des Überganges. Parallelschalten des Motors I
zu dem Motor II. Fig.8: Ausschalten des Anfahrwiderstandes z.
-
Fig.9: Nebenschließen der Reihenschlußerregung der Motoren I und II
auf einen der gewünschten Geschwindigkeit entsprechenden Betrag durch Einschalten
eines Teiles der Widerstände 61 und 62. Die letzte Schaltmaßnahme bedeutet die Herstellung
einer weiteren wirtschaftlichen Geschwindigkeitsstufe und kann unter Umständen auch
fortgelassen werden.
-
Wird die Schaltwalze zurückgeführt, was man bei Reihenschlußmotoren
im allgemeinen ohne Schwierigkeiten machen kann, dann setzt auf dei' Stelle entsprechend
der Fig.3 die Nutzbremsung ein; auf dieser Stellung ist nämlich die Nebenschlußerregung
der Motoren I und II wieder wirksam, und zwar unter Vorschaltung des gesamten Nebenschlußregehwiderstandes.
Die Intensität der Nutzbremsung ist abhängig von der Wahl der NübenschluB-undHauptschlußerre.gung.
Durch langsame Verstärkung der Nebenschluß.erregung gelangt man von der Schaltung
nach Fig. 3 zur Schaltung nach Fig. z, bei welcher die höchste Nebenschlußerregung
vorhanden ist und die daher die letzte Stufe der Nutzbremsung darstellt; auf die
Nutzbremsung kann dann zur vollkommenen Abbr emsung des Fahrzeuges die Kurzschlußbremsung
folgen.
-
Eine weitere A.usführungsfornz der Erfindung ist in den Fig. i o bis
18 dargestellt. Die Schaltung nach Fig. i o entspricht der Fig. i, bei welcher
entsprechend dem beginnenden Anlaßvorgang. beide Motoren als
Verbundmotoren
geschaltet und untereinander sowie mit dem gesamten Ankerregelwiderstand a in Reihe
geschaltet sind. Auf den Stellungen nach Fig. i i und I z wird wie bei den Schaltungen
nach Fig.2 und 3 zunächst der Ankervorscbaltwiderstand allmählich abgeschaltet und
der Nebenschlußregelwiderstand vergrößert. Der Übergang- vollzieht sich auf den
durch die Fig. 13 bis 16 veranschaulichten Stellungen, welche den
Schaltungen gemäß Fig. 4. bis 7 entsprechen. Hier sind die Motoren als reine Reihenschlußmotoren
;geschaltet.
-
Die Schaltung nach Fig. 17 ist nun die erste Betriebsstellung
mit parallelgeschalteten Motoren, wobei aber im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung die Nebenschlußtelder wirksam sind. Der Feldwiderstand 7 ist ganz
oder teilweise ausgeschaltet. Der letztere Fall ist in der Zeichnung dargestellt.
Außerdem ist die Reihenschlußerregung durch Einschaltung der Nebenschlußwiderstände
61 und 62 herabgesetzt. Der Ankervorschaltwiderstand 2 wird hierauf ausgeschaltet.
-
In Fig. 18 ist der Betrieb mittels Feldregelung dargestellt; die Nebenschlußerregung
der Motoren I und II wird durch Einschalten. des Feldregehviderstandes 7 in einer
oder mehreren Stufen verringert.
-
Bewegt man den Fahrschalter zurück, so daß die Schaltung nach Fig.
18 in die Schaltung nach Fig. 17 übergeht, so findet infolge der Verstärkung
der Nebenschlußregelung eine Nutzbremsung statt. Beim Übergang von der Parallelschaltung
auf die Reihenschaltung findet eine kurzzeitige Unterbrechung der Nutzbremsung statt;
bei der. Schaltung nach Fig. 12 setzt die Nutzbremsung wieder ein und bleibt bestehen,
bis der Widerstand 7 abgeschaltet ist (Fig. i i). Auf den Reihenstellungen entspricht
somit die Nutzbremsung dem Betrieb gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig.
i bis g.
-
Bei einer Steuerung nach Fig. i o bis 18
werden noch besondere
Vorteile während des Parallelbetriebes (Fig. 17 und 18) erzielt. Auf abschüssig-er
Strecke wird ohne Zutun des Führers, d. h. ohne Auflösung der Fahrschaltung, die
Geschwindigkeit infolge der starken Nebenschlüßerregung auf einen zulässigen Wert
begrenzt, während gleichzeitig die Nutzbremsung selbsttätig .einsetzt. Außerdem
ist eine Gleichmäßigkeit der Geschwindigkeit auch bei stark wechselndem Streckenprofil
erreicht.
-
Ein weiteres Schaltungsbeispiel der Erfindung ist durch die Fig. ig
bis 28 veranschaulicht. Die Schaltungen nach den Fig. i g bis -;,i entsprechen denen
nach Fig. i bis 3 bzw. i o bis 12, d. h. es handelt sich in diesem Fall um den Reihenbetrieb
der als Verbundmotoren geschalteten Maschinen. Die Nebenschlußerregung hat in der
Stellung nach Fig. 21 ihren geringsten Wert und behält diesen Wert oder einen geringeren
während des überga@ges von den Reihenstellungen auf die Parallelstellungen bei.
-
In der Stellung gemäß Fig.22 wird die Reihenschlußerregung der Motoren
I und II durch Ausschalten der Widerstände 6 i und 62 wieder auf den Höchstwert
gebracht. Gleichzeitig wird den Ankern der Motoren ein Teil des Ankervorschaltividerstandes
2 vorgeschaltet.
-
Fig. 23: Kurzschließen des Ankers 41 und des Hauptschlußfeldes
3 i über den gesamten Ankervorschaltwiderstand 2. Wie aus der Zeichnung hervorgeht,
ist in den übergangsstellungen der Widerstand 2 an einer Stelle mit dem Netz i verbunden.
Er ist somit in zwei Abschnitte 2 i und 22 unterteilt.
-
Fig.24: Die Verbindung zwischen dem Motor I und II ist unterbrochen,
so daß der Motor I und der Teilwiderstand 22 stromlos sind. Der Motor II liegt in
Reihe mit dem Teilwiderstand 2 i an der Netzspannung.
-
Fig. 25: Das freie Ende des Motors I wird mit dem Pol ß des Netzes
(Erde) verbunden. Der Motor I liegt nun in Reihe mit dem Teilwiderstand 22 an der
Netzspannung, während der Motor II wie bei der Schaltung gemäß Fig. 2¢ mit dem Teilwiderstand
2 1 in Reihe an Spannung liegt. Beide Motoren liegen also unter Vorschaltung je
eines Teilwiderstandes zueinander parallel am Netz.
-
Fig. 26: Vergrößern' der Nebenschlußerregung durch Abschalten des
Widerstandes 7. Diese Maßnahme könnte man auch vor der Schaltung nach Fig.25 durchführen,
so daß an den Klemmen der Motoren bereits vor der Parallelschaltung eine etwa der
Netzspannung entsprechende Spannung herrschen würde.
-
Die Schaltungen nach den Fig. 27 und 28 entsprechen denjenigen nach
Fig. 17 und i8 und stellen den Betrieb in den Parallelstellungen der als
Verbundmotoren geschalteten Maschinen dar.
-
Für den Übergang von der Parallel- zur Reihenschaltung werden die
im vorstehenden angegebenen Übergangsschaltungen verwendet, jedoch in umgekehrter
Reihenfolge.
-
Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung zweier Motoren beschränkt;
vielmehr kann man Beine beliebige Anzahl von Motoren verwenden. Die aufeinanderfolgenden
überg,angsschaltungen von der Reihen- zur Parallelschaltung beim Anfahren und von
der Parallel- zur Reihenschaltung beim Bremsen werden wie bei der Steuerung mit
zwei Motoren ausgeführt, Sind die Maschinen in
den Übergangsstellungen
als Hauptschlußmotoren geschaltet, dann werden sie kurzgeschlossen oder überbrückt.
Falls die Motoren ,als Verbundmaschinen.geschaltet sind, wird die Anordnung so getroffen,
daß die Reihenschlußerregung überwiegt und in. den Kurzschlußkreis ein Ankervorschaltwiderstand
gelegt wird. Die Nebenschlußerregung wird für sämtliche -Motoren, also auch die
nicht kurzgeschlossenen, gemeinsam eingestellt.
-
Die Erfindung kann auch bei bereits fertiggestellten Fahrzeugausrüstungen
verwirklicht werden. In diesem Falle braucht man nämlich lediglich die Feldwicklungen
der Motoren auszuwechseln.