-
Steuereinrichtung für elektrische Schienenfahrzeuge, welche durch
eine Primärkraftinaschine angetrieben werden Triebfahrzeuge, welche zwischen ihrer
Primärkraftmaschine - z. B. Benzinmotor, Dieselmotor, Gasmaschine, Dampfturbine
- und den Treibrädern eine elektrische Kraftübertragung aufweisen, verwenden hierzu
fast ausschließlich- die Gleichstromübertragung. Bedingt ist dies dadurch, daß mit
Gleichstrommaschinen in verhältnismäßig einfacher Weise erreicht werden kann, daß
die elektrischen Größen einerseits den Fahrbedingungen an Zugkraft und Geschwindigkeit
angepaßt werden können, andererseits die Primärkraftmaschine vor überlastung geschützt
und über dem mittleren Geschwindigkeitsbereich mit annähernd gleichbleibender Last
in Anspruch genommen wird. Die Gleichstrommotoren sind fast durchweg als Reihenschlußmotoren
ausgebildet, haben also von Natur aus das bekannte -füY` den Fahrbetrieb günstige
Verhalten, bei dem das Produkt aus `Drehmoment" und Drehzahl über einen größeren
Bereich angenähert gleich ist. Die Gleichstromgeneratoren können . durch entsprechende
Erregung, gemischt aus Selbsterregung, Fremderregung, Kompoundierung und Zusatzerregung,
ein derartiges Verhalten erreichen, daß einerseits die Triebmotoren die erforderlichen
Strom- und Spannungsgrößen zugeführt .erhalten und andererseits die Primärkraftmaschine
betriebsmäßig günstig belastet werden. Auch ist bekanntlich der Gleichstromübertragung
eine günstige Steigerung der Anfahrzugkraft eigen, wodurch im ersten Teil der Anfahrt
verhältnismäßig hohe Anfahrbeschleunigungen erzielt werden können.
-
Diesen Vorteilen stehen aber auch beachtliche Nachteile gegenüber.
Das Gewicht der elektrischer Maschinen ist nämlich. verhältnisrriäßig, hoch und
läßt sich nur schwer merklich verringern. Das gleiche gilt für den Platzbedarf.
Die Maschinen haben Kommutatoren und bedürfen daher einer sorgfältigen Überwachung
und Pflege, was sich auf die Unterhaltungskosten erheblich auswirkt. Auch sind die
magnetischen Verhältnisse des Generators bei der verschiedentlichen Kombination
von Selbsterregung, Fremderregung, Kompoundierung und Gegenkompoundierung empfindlich
in ihrer Einstellung und in ihrem betrieblichen Verhalten.
-
Die vorerwähnten Nachteile können überwunden werden, wenn man zur
Wechselstromübertragung greift, bei,welcher die Primärkraftmaschine einen zwei-,
drei- oder mehrphasigen Synchrongenerator antreibt, welcher Drehstrom- bzw. Mehrphasenmotoren
speist,. die vorteilhaft so ausgebildet werden, daß die Läuferwicklung kurzgeschlossen
ist, der Läufer also keine Schleifringe hat. Bei entsprechender
Auswahl
des Frequenzbereiches erhält man- damit . eine elektrische Ausrüstung, welche bei
gleicher Leistungsfähigkeit wesentlich leichter ist als die Gleichstromübertragung.
Auch in ihren Abmessungen fällt sie entsprechend kleiner aus. Dazu kommt noch, daß
durch den Fortfall der Kommutatoren die Wartungs- und Unterhaltungskosten der elektrischen
Ausrüstung wesentlich kleiner werden als bei der Gleichstromübertragung.
-
Eine derartige Wechselstromübertragung hat sich aber bisher im praktischen
Betrieb nicht einbürgern können, weil dieses elektrische Übertragungssystem ohne
besondere Vorkehrungen nur unvollkommen regelbar ist. Asynchrone Drehfeldmotoren
haben bekanntlich eine starre Drehzahltrennlinie; welche bei gleichbleibender Frequenz
abhängig von der Belastung nur einen geringen Drehzahlabfall, aufweist. Das ist
aber ein Verhalten, welches gerade für den Bahnbetrieb ungeeignet ist. Auch ist
zur Erzielung einer entsprechenden Anfahrzugkraft normalerweise eine zusätzliche
Widerstandsregelung im Läuferkreis der Antriebsmotoren erforderlich. Außerdem ist
die Maximalzugkraft durch die Größe des Kippmoments bedingt.
-
Steuereinrichtungen für durch eine Primärkraftmaschine angetriebene
Fahrzeuge, bei welcher die "Kraftübertragung zwischen Primärkraftmaschine und Triebrädern
mittels mehrphasiger, zur Speisung von Asynchronmotoren mit veränderlicher Frequenz
dienenden Wechselstromgeneratoren erfolgt, sind bereits bekannt. Dabei wird die
Frequenzregelung der mit Zwischenläufern ausgerüsteten Generatoren sowohl durch
Erregungsänderung an den Zwischenläufern als auch durch Veränderung der Windungszahl
der Ständerwicklungen bewirkt. Ganz abgesehen davon, daß die Verwendung von Maschinen
mit Zwischenläufern für größere Bahngeneratoren schon mit Rücksicht auf Platzverhältnisse,
Gewicht und Preis überhaupt nicht in Frage kommt, wird die für den Schienenfahrzeugantrieb
erforderliche Reihenschlußkennlinie nicht erzielt, da der Frequenzumformer bei der
bekannten Einrichtung, soweit er als Generator wirkt, mit gleichbleibender Drehzahl
von der Primärkraftmaschine aus angetrieben wird.
-
Erfindungsgemäß können die obenerwähnten Vorteile der Drehstr omkraftübertragung
für Schienenfahrzeuge dadurch ausgenutzt werden, daß mit der bei Einstellung einer
beliebigen Grundfahrgeschwindigkeit selbsttätig durch Beeinflussung des Drehzahlreglers
der Primärkraftmaschine vor sich gehenden Frequenzänderung die Regelung der Erregung
des Hauptgenerators zwangsläufig so erfolgt, daß die Grunderregung gleichzeitig
mit der Fahrschaltwalze gesteuert wird und die Stärke der Grunderregung mit zunehmender
Fahrgeschwindigkeit abnimmt. Auf diese Weise -erzielt man einerseits gerade bei
kleinen Frequenzen hohe Anlaufzugkraft und hohes Kippznoment der Motoren und hält
andererseits bei hohen Fahrgeschwindigkeiten bzw. hohen Frequenzen die Eisenverluste
und Streuungsverhältnisse in - er tr äglichen Grenzen. An Hand der Abb. i und z
soll dies näher 'erläutert werden.
-
Abb. i zeigt die Verhältnisse in der sogenannten Beharrungsfahrt,
die dann vorhanden ist, wenn der Fahrzeugführer das Fahrzeug auf eine gewisse Grundgeschwindigkeit
hinaufgeregelt hat, der Anfahrvorgang somit beendet ist.
-
Das Triebfahrzeug soll sich nun so verhalten, daß es sich selbsttätig
den Fahrwiderständen anpaßt, so -daß das Produkt aus Zugkraft und Geschwindigkeit
über einen größeren Fahrbereich angenähert gleichbleibt. Dieses Verhalten ist im
Schaubild I für das Beispiel einer beliebig eingestellten Griuidgeschwindigkeit
veranschaulicht, welche den Geschwindigkeitsverlauf v abhängig von der Zugkraft
Z in Form einer Hyperbel zeigt. Um dies zu erreichen, muß die Frequenz und damit
die Drehzahl der Primärkraftmaschine ähnlich geregelt werden, wie es im Schaubild
II dargestellt ist, welches die Frequenz f -als Funktion der Zugkraft Z zeigt.
Gleichzeitig kann man vorteilhaft mit der Frequenz f die Erregung
i des Generators nach einer Kennlinie regeln, welche grundsätzlich so verläuft,
wie es Schaubild III veranschaulicht, in dem der Erregerstrom i des Generators abhängig
von der Frequenz/ aufgetragen ist.
-
Abb.2 soll den Anfahrvorgang darstellen. Nach Erreichung der Anfahrfrequenz
des Generators und Einregelung der Anfahrspannung werden die Motoren, welche einen
kurzgeschlossenen Läufer haben sollen, ,zugeschaltet. Auf der Ordinate sind die
Anfahrwerte: Anfahrfrequenz /a, Anfahrspannung U", Anfahrzugkraft Z" und Anfahrerregerstrom
i" des Generators aufgetragen. Die Kennlinien zeigen nun den Verlauf dieser Werte
abhängig von der Fahrgeschwindigkeit v. Die Werte/. U" und 1Q werden so lange unverändert
gehalten, bis die Zugkraft den Höchstwert überschritten hat, der dem Kippmoment
Z"- der Motoren entspricht. Dieser Wert wird nach kurzer Zeit erreicht. Sobald der
Kulminationspunkt Z",: überschritten ist, wofür die erreichte Fahrgeschwindigkeit
ein Maß sein kann, wird die Frequenz entsprechend dem gewünschten Anfahrvorgang
hochgeregelt. Gleichzeitig werden
die -Spannung U" und der Erregerstrom
i" entsprechend mitgesteuert, wie dies die Kennlinien zeigen. -Gerade im heutigen
Schnellverkehr kommt einer nach den vorgenannten Grundsätzen gesteuerten Wechselstromübertragung
erhöhte Bedeutung zu. Sind doch z. B. Bestrebungen im Gange, die heutige Dampflokomotive
so umzugestalten, daß Einzelachsantrieb möglich ist, wobei vorteilhaft Turboantrieb
zu wählen ist, welcher nur in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Anordnung zu
einer wirtschaftlichen und betriebsbrauchbaren Lösung führen dürfte. Auch im Triebwagenverkehr
ergibt sich für den Dampfantrieb im Hinblick auf energiewirtschaftliche Gesichtspunkte
(Verwendung einheimischen Brennstoffes) ein weites Betätigungsfeld. Auch hier wird
der turboelektrische Antrieb mit auf die erfindungsgemäße Art gesteuerter Wechselstromübertragung
die betrieblich günstigste Lösung darstellen. Ganz gleich ob als Primärkraftmaschine
eine Turbine oder eine Verbrennungsmaschine, so z. B. eine Gasmaschine, ein Benzinmotor
oder ein Dieselmotor mit Aufladegebläse dient, immer wird die im vorstehenden beschriebene
Wechselstromübertragung durch ihre Einfachheit und geringen Unterhaltungskosten
große Vorteile bieten.
-
Eins von den vielen möglichen Ausführungsbeispielen des Erfindungsgedankens
sei im folgenden an Hand der Abb.3 und 4 erläutert. Die in den Abbildungen angegebenen
Schaltungen und Apparate können durch beliebige andere Schaltungen und Apparate
ersetzt werden, soweit mit diesen das gleiche Ergebnis erzielt wird. Auch bleibt
das dargestellte Beispiel natürlich nicht auf den Primärantrieb durch eine Dampfturbine
beschränkt, sondern gilt, wie bereits erwähnt, sinngemäß für jede Art von Primärkraftmäschinen.
-
In der Abb. 3, bedeutet i eine Dampfturbine. Diese treibt den Synchrongenerator
2 mit der zugehörigen Erregermaschine 3. Der Abdampf der Turbine geht in den Kondensator
io. Das Kondensat gelangt über die Pumpe i i in den Kessel 12. Der Kessel wird durch
die Feuerung 13 mit einer Regelvorrichtung für die Brennstoffzufuhr geheizt, welche
vom Verstellmotor i3o geregelt wird. 14 kennzeichnet den Rauchgasabzug mit der Drosselklappe
143, die gemeinsam mit der Brennstoffzufuhr geregelt wird. Der Arbeitsdampf gelangt
über die Rohrleitung 18 zum Hauptabsperrschieber mit Schnellschlußventil8 (der Hauptabsperrschieber
kann zugleich als Schnellschluß ausgebildet sein) und von da zum Steuerventil 7,
mit welchem Leistung und Drehzahl in bekannter Weise geregelt werden. -Als Dampfbilder
kann natürlich jede hierzu geeignete Flüssigkeit verwendet werden. .
-
Der Generator 2 speist über einen Stromwandler 2 i mit dessen Sekundärklemmen
2 i o; den Umschalter 9 die Sammelschienen 29. Der Umschalter 9 dient zur Vertauschung
der .Phasen für Vor- und Rückwärtsfahrt.. Ari den Sammelschienen 29 liegen über
je einen Schalter 43 beliebig viele Antriebsmotoren..; die vorteilhaft mit Kurzschlußläufer
ausgeführt sind. Die Verwendung von Schleifringläufern ist natürlich auch möglich,-
doch sind Kürzschlußläufermotoren bekanntlich billiger und bedürfen geringerer Wartung.
Jeder der Motoren 4 treibt über ein Zahnräderpaar 41 ein Radpaar 42 an.
-
Die Erregermaschine 3 hat eine Haupt-. erregerwicklung 3 i im Nebenschlüß
zum Hauptstromkreis und eine Zusatzwicklung 32, über deren Bedeutung weiter unten
noch zu sprechen sein wird. Mit Rücksicht auf kleine Regelleistungen soll grundsätzlich
im Erregerkreis der Erregermaschine geregelt werden. Selbstverständlich steht aber
einer Regelung im Ankerstromkreis der Erregermaschine nichts im Wege. Der Strom
der Haupterregerwicklung 3 i wird durch den Feldregler 6 mittels des Regelwiderstandes
64 geregelt. - Mit dem Regelwiderstand 64 wird die Grunderregung entsprechend der
jeweils eingestellten Grundfahrgeschwindigkeit geregelt. Es kann auch noch ein zusätzlicher,
willkürlich zu. betätigender Regler vorgesehen sein.
-
Die eigentliche Frequenzsteuerung erfolgt durch den Drehzahlregler
5, welcher in dem gezeichneten Ausführungsbeispiel als mechanischer Regler dargestellt
ist. Er könnte selbstverständlich auch als elektrischer Regler, z. B. als Tachometerdynaino
mit einer Meßeinrichtung, die u. a. auf die zeitliche Änderung
der Drehzahl anspricht, ausgebildet sein. Der Drehzahlregler 5 wird über das Getriebe
5 5 synchron mit der Turbinenwelle angetrieben. Er hat zwei Regelfedern
51 und 52. Die eine Regelfeder 51 wird von dem Feldregler 6 über den Hebel
6 i und die Rolle 63 je nach der Reglerstellung verschieden vorgespannt. Mit ihr
wird die Grundgeschwindigkeit bzw. Grundfrequenz eingestellt. Die Feder 52 wird
über das Gestänge 54 von einem Regelapparat 52o in Abhängigkeit vom Belastungsstrom
in der Vorspannung verändert. Mit ihr erfolgt über den Regelapparat 520 die selbsttätige
Anpassung der Frequenz an die gewünschte Geschwindigkeitszugkraftkemilinie gemäß
Abb. i. Der Apparat 52o -wird aus der Strömwandleranordnung 2i und 2io gespeist.
Durch entsprechende Ausgestaltung des magnetischen Kreises des Apparates
520- sowie durch entsprechende
Vor- und Nebenwiderstände
Ohmscher, induktiver und bzw. oder kapazitiver Art kann jeder gewünschte Kennlinienverlauf
selbsttätig eingestellt werden. Auch ist eine Veränderung dieser Kennlinie während
des Betriebes ohne weiteres möglich, z. B. wenn besondere Streckenverhältnisse dies
erforderlich machen. Der Drehzahlregler selbst wirkt über das Gestänge 53 und 7
1 auf das Regelventil ? bzw. die Regelventilanordnung bekannter Ausführung ein.
-
Die Anfahrt und Einstellung der Grundgeschwindigkeit erfolgt durch
den Feldregler 6, welcher in Abb. 3 als mechanischer Regler angedeutet ist. In der
untersten Stellung des Hebels 61 sind das Venti17 in der Anlaufstellung und der
Hauptabsperrschieber 8 geschlossen. Bei der Anfahrt wird im ersten Teil der Aufwärtsdrehung
am Hebe161 entlang der Rastenscheibe 62 zunächst der Hauptabsperrschieber bzw. das
Schnellschlußventil 8 über das Gestänge 81 und 82 geöffnet. Die Turbine läuft ohne
Belastung und bei unerregtem Generator 2 hoch. Ist die Anfahrdrehzahl und damit
die entsprechende Anfahrfrequenz erreicht, wird der Generator erregt. Der Fahrtreglerhebel6i
ist an der Sperrklinke 65 angekommen. Mit der Einsetzung der Erregung beginnt das
Triebfahrzeug anzufahren. Ist das höchste Anfahrmoment erreicht bzw. überschritten,
wird abhängig von der erreichten Fahrgeschwindigkeit die Sperrklinke mittels des
Relais 65o gelöst. Das Hochfahren durch Regeln der Frequenz gemäß den in Abb.2 dargestellten
Kennlinien kann nun beginnen. Daß über die Kontaktbahn 6q. gleichzeitig die Grunderregung
entsprechend mitgeregelt wird, ist bereits erwähnt worden.
-
Selbstverständlich kann mit dem Fahrtregler und mit der Regelung von
Geschwindigkeit und Zugkraft über den Apparat 52o auch die Brennstoffzufuhr, z.
B. über den Verstellmotor 130, gleichzeitig mit der Drosselkappe der Verbrennungsluftführung
mitgeregelt werden, wobei zwischen dieser Regelung und der Regelung über Regler
6 und Apparat 52o eine Zeitverzögerung vorgesehen werden kann. Auch die Steuerung
der Pumpe i i in dem Ausführungsbeispiel nach der Abb.3 kann in diese Regelung miteinbezogen
werden. Daß die ganze Anfahrt und Regelung auch vollständig selbsttätig ausgeführt
werden kann, ist selbstverständlich. Die Regelüberwachung erfolgt dabei inbekannter
Weise über Strom- und Spannungswächter. Auch kann man den Fahrtregler 6 als elektrischen
Regler ausbilden. Der Feder 51 wird dann mittels eines kleinen Verstellmotors eine
Vorspannung gegeben und auf diese Weise auch der Hauptabsperrschieber 8 gesteuert.
Ein Ausführungsbeispiel der selbsttätigen Zusatzerregung gemäß dem Schaubild III
in Abb. i zeigt Abb. ¢. Die Bezeichnungen sind, soweit sie sich mit denen der Abb.
3 decken, die gleichen wie dort. Die Zusatzerregerwicklung 32 wird beispielsweise
über eine Trockengleichrichteranordnung 33, welche an dem Gleichrichtertransformator
23 hängt, so gespeist, daß mit zunehmendem Belastungsstrom und abnehmender Frequenz
die Zusatzerregung zunimmt. Der Gleichrichtertransformator 23 liegt an der Stromtransformatoranordnung
21 bzw. am Stromwandler 212 und kann über den Schalter 24 kurzgeschlossen werden.
Der primären Stromwandler- bzw. Stromtransformatorwicklung ist eine Drosselspule
211 vorgeschaltet. Parallel zur Drosselspule 211 und zuni Stromwandler 2 i 2 liegt
der Ohmsche Widerstand 213. Diese Anordnung hat zur Folge, daß der Zusatzerregerstrom
nicht nur mit der Belastung, sondern auch mit abnehmender Frequenz zunimmt, da der
Drosselwiderstand 2 i i dabei gegenüber dem Ohmschen Widerstand 213 kleiner wird.
-
Bemerkt sei noch, daß man mit Rücksicht auf die beste Wirtschaftlichkeit
der Antriebseinrichtung die Primärkraftmaschine so ausführen wird, daß sie ihren
besten Wirkungsgrad bei 6o bis 8o% der betrieblichen Höchstgeschwindigkeit aufweist.
Es ist weiterhin zweckmäßig, die Wirkungsgradlinie nicht so hoch zu legen, wie es
theoretisch und fabrikatorisch möglich ist, sondern den Bestwert etwas niedriger
zu halten, dafür aber die Wirkungsgradlinie über einen großen Leistungsbereich flach
verlaufen zu lassen.
-
Die Fahrmotoren erhalten vorteilhaft mit Rücksicht auf das Anfahrmoment
eine Mehrphasenwicklung im Läufer, welche so ausgelegt ist, daß ihr Ohmscher Widerstand
höher liegt als bei einer normalen Ausführung. Namentlich wird man diese Maßnahme
bei Fahrzeugen treffen, welche des öfteren anfahren und halten müssen. Im übrigen
wird man, wie bereits erwähnt wurde, am besten Kur zschlußläufermotoren verwenden.
-
Bei Antrieb durch Verbrennungskraftmaschinell, vor allem beim Antrieb
durch Dieselmoteren, welche einen verhältnismäßig kleinen Drehzahlregelbereich aufweisen,
legt man vorteilhaft zwischen Primärkraftmaschine und Generator eine regelbare Flüssigkeitskupplung.
Auch bei Turbinenantrieb kann von dieser Maßnahme Gebrauch gemacht werden. Man kann
dann z. B. so fahren, daß bei der Anfahrt die Primärkraftmaschine mit höherer Drehzahl
läuft, als der Anfahrfrequenz entsprechen würde, und daß die Untersetzung in der
Drehzahl durch die Flüssigkeitskupplung erfolgt. Umgekehrt kann auch bei hohen
Geschwindigkeiten
die Primärkraftinaschine mit einer Drehzahl laufen, welche einer mittleren Frequenz
entspricht und die über setzung ins Schnelle durch die Flüssigkeitskupplung erfolgen.
Selbstverständlich wird man die Flüssigkeitskupplung so ausbilden, daß auch eine
unmittelbare Durchkupplung zwischen Primärkraftmaschine und Generator möglich ist.
Die Frequenzregelung wird dann so vorgenommen, daß man mit dem bestmöglichen Übertragungswirkungsgrad
über einen großen Geschwindigkeitsbereich arbeitet.
-
Durch übersynchronen Lauf der Motoren gegenüber der Generatorfrequenz
ist elektrische Bremsung möglich, wobei man die Motoren als Generatoren arbeiten
lassen kann, welche ihre elektrische Energie an einen Bremswiderstand abgeben oder
die Primärkraftmaschine als Kompressor antreiben. Die komprimierte Luft kann in
einem Speicher gesammelt und dann zusätzlich zur Verstärkung des Antriebsmomentes
bei der Anfahrt verwendet werden. Die in ihr aufgespeicherte Bremsenergie wird dann
wieder nutzbringend an das Fahrzeug zurückgeführt.
-
Die für die elektrische Kraftübertragung erforderliche Magnetisierungs-Blindleistung
wird namentlich .bei -den höheren Frequenzen vorteilhaft aus einer Kondensatorbatterie
teilweise oder ganz- gedeckt.