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Einrichtung zum Antrieb und zur Nutzbremsung elektrisch angetriebener
Bahnfahrzeuge Fahrzeugmotoren werden in der Regel als Reihenschluß.motoren ausgebildet,
was jedoch den Nachteil hat, daß eine wirtschaftliche Nutzbremsung nicht ohne weiteres
zu erzielen ist. Um diesen Nachteil zu vermeiden, sind Schaltungen für Bahnfahrzeuge
bekanntgeworden, bei denen dia Erregerwicklungen der Motoren von einer Erregermaschine
gespeist werden, die außer einer Fremderregerwicklung eine vom Ankerstrom der Fahrmotoren
durchflossene Reihenschlußerregerwicklung aufweist. Derartige Schaltungen ermöglichen
sowohl einen Fahrbetrieb wie einen Bremsbetrieb mit den jeweils gewünschten Kennlinien.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung für derartige
Fahrzeugmotoren zu schaffen, die sich durch größte Einfachheit auszeichnet und es
ohne weiteres ermöglicht, sowohl beim Fahrbetrieb wie beim Bremsbetrieb von der
Reihenschaltung auf die Parallelschaltung bzw. von der Parallelschaltung auf die
Reihenschaltung ohne Stromunterbrechung überzugehen. Die Erfindung bezieht sich
auf eine Einrichtung zum Antrieb und zur Nutzbremsung elektrisch angetriebener Bahnfahrzeuge
mit Gleichstrommotoren, deren Feldwicklungen von einer Erregermaschine mit Fremderregung
und vom Ankerstrom der Fahrmotoren abhängiger Erregung gespeist werden. Die Erfindung
wird darin gesehen, daß :beim Übergang von der einen Gruppierung auf .die andere
die fremdgespeisten Erregerwicklungen der Erregermaschine bzw. -masehinen abgeschaltet
oder nur mit sehr kleinem Strom erregt werden, und daß der Übergang zwischen den
verschiedenen Motorgruppierungen (Reihenschaltung, Reihen-Parallelschaltung, Parallelschaltung)
beim Fahren wie beim Bremsen sowohl aufwärts als auch abwärts stets mit denselben
Schaltmitteln und in der glichen Schaltweise erfolgt.
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Die Anordnung nach der Erfindung ermöglicht eine wesentliche Vereinfachung
der zurr Umschalten der Motoren dienenden
sich praktisch bei der L mgruppierung wie reine Reihenschlußmaschinen verhalten,
so daß darauf verzichtet werden kann, bei der Änderung der Gruppierung mit verschiedener:
Schaltungen zli arbeiten, je nachdem ob beim Fahrbetrieb eine Umschaltung der Motoren
von der Reihenschaltung auf die Parallelschaltung oder beim Bremsbetrieb eine Umschaltung
der Motoren vom Parallelbetrieb auf den Reihenbetrieb erfolgt.
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Iin folgenden soll die Erfindung näher an Hand eines Ausführungsbeispieles
erläutert «-erden, das in der Zeichnung in Fig. i durch ein schematisches Schaltbild
veranschaulicht ist. In diesem Schaltbilde bedeuten i und 2 die Anker der Fahrmotoren,
die über einen Stromabnehmer S sowie die Hauptschütze H gespeist werden können.
3 und d sind die Feldwicklungen der Motoren. Zur Speisung der Feldwicklungen dienen
die Erregermaschinenanker 5 und 6. Die Feldwicklungen sind mit den Erregermaschinenankern
5 und 6 in Reihe geschaltet und über .eine gemeinsaine Erdungsdrossel 1.4 sowie
einen Erdungsschalter 13 an Erde gelegt. Die Bedeutung der Erdungsdrossel 14 wird
später erläutert.
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Zur Erregung der beiden Erregermaschinen 5 und 6 sind die fremdgespeisten
Feldwicklungen 7 bzw. 8 und die Reihenschlußfeldwicklungen il, 12 vorgesehen. Die
beidzn Feldwicklungen 7 und 8 liegen über Feldregler 9 bzw. io an einer Stromquelle
gleichbleibender Spannung, beispielsweise einer Sammelbatterie. Die Reihenschlußwicklungen
11 und 12, zu denen veränderliche Parallelwiderstände r ia, 12a zwecks Feldregelung
parallelgeschaltet sein können, sind atit den Ankern r und 2 in Reihe geschaltet.
Die Erregerwicklungen i i und 12 sind gegenüber den Felfvicklungen 7 und 8 so geschalte,
daß sie beim Motorbetrieb die Feldwicklu-igen 7 und 8 unterstützen, beim Generatorbetrieb
ihnen aber entgegenwirken. Zum Anlassen der Motoren sind Anlaßwiderstände : 5 und
16 vorgesehen, welche regelbar sind. 17 bis 20 sind Gruppierungsschalter, welche
eine verschiedene Gruppierung der Motoren, beispielsweise eine Reihenschaltung oder
Parallelschalturng, ermöglichen. In der an den Brückenschalter 18 angeschlossenen
Verbindungsleitung ist noch ein besonderer Brückenwiderstand 21 vorgesehen.
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Die Wirkungsweise der Schaltung ist nun folgende: Sollen die Motoren
zur Anfahrt oder Beschleunigung ein Drehmoment abgeben, so wird zunächst der 11lotorstromkreis
geschlos-
Stromabnehmer S, Hauptschütze H, Motoranker i, Feldwicklung r i der Erreger-.inaschine
5, Widerstand i5, Reihenschalter r;, Widerstand 16, Anker 2, Felclwi%1,zluiig i2
der Erregermaschine 6, Erdungsdrosselspule i-., Erdungsschalter 13. Die Felder 7
und 8 sind zunächst bei Herstellung der Reihenschaltung der Motoren nicht erregt
oder stark geschwächt. Die Reihenschlußerregerwicklungen i i und 12 der Erregermaschinen
gewährleisten in diesem Falle bereits infolge entsprechender Bemessung eine solche
Erregung der Feldwicklungen 3 und 4 über die Erregermaschinen 5 und 6, daß die Motoren
i und 2 sich wie normale Reihenschlußmotoren mit stark geschwächtem Feld verhalten.
Die Erregerwicklungen i i und 12 sind so bemessen, daß bei Abschaltung der Feldwicklungen
7 und 8 die Motoren i und 2 entsprechend dem höchsten Grad der zulässigen Feldschwächung
erregt werden. Nunmehr werden die Felder 7 und 8 durch Steigern der an sie gelegten
Spannung auf den vollen Wert verstärkt. Nun beginnt der eigentliche Anlaßvorgang,
indem die Vorschaltwiderstände 15 und 16 allmählich kurzgeschlossen werden. Schließlich
werden die Felder 7 und 8 wieder auf den Wert Null oder einen sehr geringen Wert
gebracht. Damit ist die oberste Fahrstufe bei Reihenschaltung der -Motoren erreicht.
Zum Cbergang von der Reihenschaltung auf die Parallelschaltung wird eine Brückenschaltmetho:de
benutzt. Während die Felder 7 und 8 der Maschinen 5 und 6 unerregt oder nur sehr
schwach erregt sind, wird zunächst über die eingeschalteten Widerstände zu den in
Reihenschaltung am Netz liegenden -Motoren folgender Parallelstromkreis hergestellt:
Schalter i9, Widerstand i6, Überbrückungswiderstand 21, Schalter 18, Widerstand
15, Schalter 2o. Nunmehr kann der Brückenschalter 18 annähernd stromlos geöffnet
werden.
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Nach Erreichung der Parallelschaltung sind zunächst die Anlaßwiderstände
voll eingeschaltet. Nun wird die Erregung der Wicklungen 7 und 8 auf den vollen
Wert verstärkt. Darauf «erden die Vorschaltwiderstände allmählich überbrückt, schließlich
werden die Felder 7 und 8 wieder geschwächt oder ausgeschaltet, bis die gewünschte
Fahrgeschwindigkeit erreicht ist.
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In genau der gleichen Weise erfolgt das Ausschalten. Zunächst wird
bei Parallelschaltung der Motoren der Anlaßhebel zurückbewegt und der Vorschaltwiderstand
in dein Ankerstromkreise vorgeschaltet. Daraufhin werden die Felder 7 und 8 der
Erregermaschinen
geschwächt oder ausgeschaltet. Nunmehr erfolgt
mit Hilfe der Brückenschaltung unter Verwendung der Anlaßwiderstände sowie des zusätzlichen
Brückenwiderstandes 21 der Übergang auf die Reihenschaltung der Motoren. Zunächst
werden die Vorschaltwiderstände .ausgeschaltet. Daraufhin werden die Felder 7 und
8 allmählich verstärkt. Schließlich werden die Widerstände wieder eingeschaltet
und die Felder 7 und 8 der Erregermaschinen ausgeschaltet. Kennzeichnend ist demnach
für die erfindungsgemäß ausgebildete Schaltung, daß beim Übergang von der Reihenschaltung
auf die Parallelschaltung und umgekehrt die Felder 7 und 8 der Erregermaschinen
5 und 6 ihren kleinsten Wert bzw. den Wert Null haben, was zur Folge hat, daß beim
Übergang von der Reihen- auf die Parallelschaltung und umgekehrt sich die Maschinen
i und 2 wie Reihenschlußmotoren verhalten. Bei Reihenschlußmotoren läßt sich aber
bekanntlich mit Hilfe der Brückenschaltungsmethode ein Übergang von der einen Schaltung
auf die andere ermöglichen, ohne daß größere, die Schaltgeräte gefährdende Stromstöße
eintreten.
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Die praktische Ausführung der Steuereinrichtung kann in der Weise
erfolgen, daß ein Führerschalter oder Anlasser der für Hauptstrommotoren üblichen
Art vorgesehen ist, mit dem man die Reihen- und Parallelgruppierungen herstellen
sowie den Anlaßwiderstand vorschalten und stufenweise kurzschließen kann. Für die
Steuerung der die Gruppierung bewirkenden Schaltgeräte sowie der Anlaßwiderstände
dient dabei ein einziger Anlaßhebel, welcher gleichzeitig sämtliche Schaltorgane
für das Ein- und Ausschalten der Widerstände und der Herstellung der Gruppierungen
betätigt.
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Außerdem erhält der Führerschalter noch ein weiteres Steuerorgan (Handgriff
o. dgl.), mit dessen Hilfe die Erregerwicklungen 7 und 8 der Erregermaschinen willkürlich
eingeschaltet und geregelt werden können. Dies Organ sei im folgenden mit Feldregler
bezeichnet. Die erwähnten beiden Regelorgane sind derart gegeneinander verriegelt,
z. B. auf mechanische Weise, daß die Gruppierungsschaltungen nur hergestellt oder
geändert werden können, wenn der Feldregler für die Wicklungen 7 und 8 -auf der
Ausschaltstellung oder einer Stellung für sehr schwache Erregung steht. Der Fahrzeugführer
kann mit der Steuerung in folgender Weise arbeiten: Beim Anfahren aus dem Stillstand
wird zunächst der Anlaßhebel auf die Reihenstellung bewegt. Darauf wird der Feldregler
von der Ausschaltstellung auf die Stellung für volle Erregung bewegt. Anschließend
wird der Anlaßhebel vorwärtsbewegt und der Widerstand kurzgeschlossen. Schließlich
wird der Feldregler je nach der gewünschten Geschwindigkeit auf eine gewünschte
Stellung, gegebenenfalls die Endstellung, bewegt. Soll die Parallelschaltung dei
Motoren hergestellt werden, so muß zunächst der Feldregler auf die Ausschaltstellung
gebracht werden. Nun wird der Anlaßhebel auf dem Wege über besondere Übergangsstellungen
in die Parallelstellung gebracht. Darauf wird der Feldregler in die Stellung für
volle Erregung der Nebenschlußfelder 7 und 8 gebracht. Schließlich wird durch den
Anlaßhebel der vorher wieder eingeschaltete Vorschaltwiderstand ausgeschaltet und
der Feldregler entsprechend der gewünschten Geschwindigkeit eingestellt. Das Ausschalten
erfolgt in der Weise, daß zuerst der Anlaßhebel zurückbewegt und Widerstand vor
die Motoren geschaltet wird. Danach wird der Feldregler auf die Ausschaltstellung
oder eine Stellung für .schwache Erregung gebracht. Nunmehr kann der Anlaßhebel
in die Reihenschaltstellung sowie in die Ausschaltstellung bewegt werden.
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Ein Wiedereinschalten der Steuerung während der Fahrt ist in folgender
Weise möglich. Zunächst wird der Anlaßhebel je nach der gewünschte Geschwindigkeit
auf die letzte Reihenschaltung oder letzte Parallelstellung bewegt. Dabei verhalten
sich die Motoren wie normale Hauptstrominotoren. Nunmehr wird der Feldregler entsprechend
der erforderlichen Geschwindigkeit eingestellt. Die Handhabung der Steuerung ist
außerordentlich einfach. Es ist ohne weiteres möglich, nach der Ausschaltung der
Motoren während des Laufes des Fahrzeuges die Motoren wieder einzuschalten, ohne
daß irgendwelche Bremsstufen durchlaufen zu werden brauchen.
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Die Steuerung kann auch dadurch vervollkommnet werden, daß an dem
Anlaßhebel ein Totmannsknopf vorgesehen wird. Eine Bremsung kann bei der beschriebenen
Schaltung einfach in der Weise erreicht werden, daß der Feldregler um eine oder
mehrere Stufen zurückgedreht wird, wodurch die» Felder 7 und 8 verstärkt und die
Ankerspannung der Motoren über die Netzspannung gesteigert wird. Durch Regelung
mit dem Fejdregler kann der Fahrer bei Erreichung der gewünschten Geschwindigkeit
den Strom praktisch auch auf den Wert Null einregelrl. Es kann aber auch der Fall
eintreten, daß die. Speisung der Fahrleitung einige Zeit unterbrochen ist. In diesem
Falle muß aus Sicherheitsgründen der Hauptschalter des Fahrzeugs geöffnet werden.
Das Fahrzeug kann dabei zunächst infolge der in ihm enthaltenen Bewegungsenergie
weiterlaufen. Kehrt die Spannung bald wieder und läuft das Fahrnoch
mit
mindestens der Hälfte der hstgeschwincligkeit, so wäre es unnötig, .&U-_Motoren
erst über die Reihenstufen ein-
| Es würde dann auf den Stufen |
mit stärkerer Freinderrebung Bremsung eintreten. Erfindungsgemäß kann dem Fahrer
für diesen Ausnahmefall die Möglichkeit gegeben werden, über die ersten Schaltstufen
stromlos hinwegzugehen und erst zu Beginn der Parallelschaltstufen den Hauptschalter
zu schließen. Dies kann mittels eines am Führerschalter angebrachten Druckknopfes
geschehen, der sich nur bei der ersten Reihenstufe und der ersten Parallelstufe
betätigen läßt und den Hauptschalter schließt. Loslassen des Knopfes und damit Öffnen
des Hauptschalters sollen dagegen bei jeder Stufe möglich sein. Der Fahrer hat dann
die Wahl, je nach der augenblicklichen Geschwindigkeit, die er an dem Geschwindigkeitsmesser
abliest, die eine oder andere jeweils am besten geeignete Gruppenschaltung einzustellen
und unmittelbar einzuschalten.
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Die Erregermaschinen 5 und 6 werden zweckmäßig mit schwacher Sättigung
ausgeführt. Die Erregerwicklungen 7 und 8 und die Hauptstromerregerwicklungen ii
und 1:2 sowie die sie tragenden Pole sind derart ausgebildet und angeordnet, daß
eine möglichst geringe induktive Kopplung der Wicklungen vorhanden ist. Die :Maschinen
5 und 6 können auch als Spaltpolmaschinen ausgeführt sein, derart, daß die Wicklungen
7 und 8 und die Reihenschlußwicklungen ii und 12 verschiedenen Polteilen zugeordnet
sind.
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Natürlich kann die Schaltung der beiden Wicklungen 7 und 8 auch eine
andere sein, als in dem Schaltbilde angegeben ist. Beispielsweise können .die beiden
Wicklungen 7 und 8 in Reihe geschaltet sein, und ein gemeinsames Regelorgan kann
zur Regelung ihres Stromkreises verwendet werden.
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Eine wesentliche Vereinfachung der gesamten Steuerung kann gemäß der
weiteren Ausgestaltung der Erfindung dadurch erzielt werden, daß im Stromkreis der
Fahrmotoren liegende Fahrtwender vermieden sind und die Umsteuerung für verschiedene
Fahrtrichtungen durch Umsteuerung bzw. Umschaltung der Erregermaschinen bewirkt
wird. Dies ermöglicht, unter Umständen für die Fahrtwendung mit wesentlich kleineren
Schaltern auszukommen.
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Vorteilhafterweise werden die Feldwicklungen 3 und 4 mit etwas höherer
Windungszahl ausgeführt, als dies bei reinen Reihenschlußmotoren der Fall ist. Hierdurch
wird es ermöglicht, daß die Erregermaschinen für eine höhere Spannung und einen
kleineren Strom ausgeführt werden können, also kleinere Abmessungen erhalten.
| Vorteitriatterweise wiiu uIc a1-11alLu.,S |
Felder in Verbindung mit den Motoren so getroffen, .daß im Notfalle bei einem Versagen
der Erregermaschinen oder Schaden an diesen die Erregermaschinen stillgesetzt oder
abgeschaltet werden und daß sodann die Fahrzeugmotoren wenigstens in einer
be-
stimmten Gruppierung, etwa in Reihenschaltung, als normale Reihenschlußmotoren
benutzt werden können. Auf diese Weise kann das Fahrzeug auch bei einer Beschädigung
der Erregermaschinen noch fahrfähig gehalten werden. Bei der in der Abbildung gezeigten
Schaltung kann dies beispielsweise dadurch erfolgen, daß der Erdungsschalter 13
geöffnet wird. Der Strom verläuft dann über die in Parallelschaltung zueinander
angeordneten Feldwicklungen 3 und 4. Selbstverständlich kann man in diesem Falle
die beiden Erregeranker 5 und 6 durch überbrükkungsschalter kurzschließen. Ist die
Windungszahl der Motorfeldwicklungen 3 und ,4 doppelt so groß gemacht wie bei normaler
Hauptstromerregung, so ergibt sich, daß bei Parallelschaltung der Felder und bei
Reihenschaltung der Motoren wieder ein ausreichendes Feld an den Motoren i und 2
vorhanden ist. Unter Umständen läßt sich auch durch Anwendung von Parallelwiderständen
zu den Feldwicklungen für den Notbetrieb die erforderliche Erregung der 'Motoren
sicherstellen.
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Wie bereits erwähnt war, ist in der Erdungsleitung der beiden Erregermaschinen
5 und 6 eine Erdungsdrossel 14 angeordnet. Diese Erdungsdrossel 14 hat die Bestimmung,
einen Schutz gegen Stromstöße bei plötzlichen Spannungsänderungen im Fahrleitungsnetz
zu bewirken.
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Um dies näher zu erläutern, sei angenommen, daß das Fahrzeug im Gefälle
fährt und der Bretnsstrorn sich auf einen solchen Wert eingestellt hat, daß die
betreffende Geschwindigkeit aufrechterhalten bleibt. Tritt nun eine plötzliche Senkung
der Fahrdrahtspannung ein, beispielsweise weil ein anderes in der Nähe befindliches
Fahrzeug eingeschaltet ist, so ergibt sich, daß die Klemmenspannung der Fahrmotoren
einen wesentlich größeren Wert annimmt als die Netzspannung. Die Feldstärke der
bremsenden Fahrmotoren kann wegen der Selbstinduktion sich nicht augenblicklich
verändern, so daß ein beträchtlicher Stromstoß über das Maß des bestehenden Bremsstoßes
eintritt. Erfindungsgemäß werden nun diese Stromstöße durch die Erdungsdrossel i4
vermindert. Dies ist dadurch begründet, daß beim Auftreten des Stromstoßes infolge
der Wirkung der Drossel 14 ein Teil des Stromes durch die Feldwicklungen 3 und 4
gedrängt wird, wo er schnellstens
eine Schwächung des Feldes und
damit Verringerung der Klemmenspannung der Motoren herbeiführt.
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Die beschriebene Schaltung kann in verschiedener Weise abgeändert
werden. Z. B. kann die Steuerung als selbsttätige Steuerung ausgeführt werden, so
daß der Anlasser und Feldregler zwangsläufig in der gewünschten Weise gesteuert
werden.
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Die vom Ankerstrom durchflossene Erregerwicklung kann auch so ausgelegt
werden, daß .die Motoren mit vollem Feld wie reine Reihenschlußmotoren betrieben
werden können.
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Bei der in Fig. i wiedergegebenen Schaltung ist für jeden Motor eine
besondere Erregermaschine vorgesehen. Dies ist für Parallelbetrieb erforderlich,
um eine stabile Stromverteilung zu erzielen. Gemäß der weiteren Ausgestaltung der
Erfindung kann nun eine wesentliche Vereinfachung und Verbilligung der dargestellten
Schaltung dadurch erreicht werden, daß nur eine einzige Erregermaschine für zwei
parallel arbeitende Motoren oder Motorengruppen und eine besondere Ausgleicheinrichtung
vorgesehen wird, die es ermöglicht, daß trotz Verwendung nur einer einzigen Erregermaschine,
beispielsweise bei Parallelschaltung von zwei Antriebsmotoren, die vom Ankerstrom
abhängige Erregerstromkomponente der Feldwicklungen ,genau dem Strom der zugeordneten
Motoren entspricht. In Fig. 2 der Zeichnung ist eine derartige Anordnung wiedergegeben.
In dieser Figur bedeuten 23 und 24 die beiden Feldwicklungen zweier Fahrzeugmotoren,
die gegebenenfalls in Parallelschaltung betrieben werden können. Zur Speisung dieser
Feldwicklungen dient eine einzige Erregermaschine 32. Die Maschine 32 ist mit einer
Fremderregerwicklung 27 und zwei Reihenschlußerregerwicklungen 28 und 29 versehen,
durch welche die Ströme der beiden von der Erregenmaschine erregten Fahrmotoren
hindurchgeleitet werden. Die beiden Feldwicklungen 23 und 24 sind mit einer Drosselspule
30 in Reihe geschaltet. Erfindungsgemäß ist nun eine kleine Ausgleichmaschine
A vorgesehen, die nach Art einer Brücke zwischen dem Mittelpunkt der Drossel
30 und dem künstlichen Nullpunkt der Erregermaschine 32 eingeschaltet ist.
Normalerweise haben diese beiden Punkte gleiches Potential, so daß keinerlei Strom
durch den Anker der Aus-Bleichmaschine A fließt. Die MaschineA ist nun mit zwei
Feldwicklungen 33 und 34 versehen, die in entgegengesetzter Richtung geschaltet
sind und je von dem Strom 11 bzw. l2 der Fahrmotoren durchflossen werden. Sind die
beiden Ankerströme gleich groß, so ist das resultierende Feld der Ausgleichmaschine
A gleich Null. Es entsteht daher keine Spannung. Ist dagegen beispielsweise der
Strom in dem Anker eines Fahrmotors größer als in dem des anderen Motors, so ist
dies ein Beweis dafür, daß die Felder .der Motoren ungleich stark sind. Nunmehr
wird infolge des Überwiegens der einen Erregerwicklung der Ausgleichmaschine A ein
Ausgleichstrom i in der Maschine A auftreten, durch .den das schwächer erregte Feld
des einen Antriebsmotors verstärkt, das zu starke Feld des anderen Antriebsmotors
geschwächt wird.
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Die Ausgleichmaschine A kann verhältnismäßig klein ausgeführt werden,
da der Ausgleichstrom nur klein gegenüber dem eigentlichen Erregerstrom I ist, welchen
die Maschine 3.2 liefert. Der Grad des Ausgleiches kann beliebig gewählt werden,
indem man die Maschine A für eine entsprechende Spannung bemißt.
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Die Erregermaschine kann entweder mit gleichbleibender Geschwindigkeit
angetrieben werden; unter Umständen ist es jedoch vorteilhafter, sie in Abhängigkeit
von bestimmten Größen, beispielsweise der Belastung der Motoren, mit veränderlicher
Drehzahl zu betreiben. Hierdurch kann die Form der sich für die Fahrmotoren ergebenden
Kennlinien in gewünschter Weise beeinflußt werden.