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Anordnung zur Nutzbremsung elektrischer Wechselstromfahrzeuge Es sind
Nutzbremsschaltungen für Wechselstromfahrzeuge bekannt, bei welchen zur Erzielung
einer günstigen Phasenverschiebung des zurückgelieferten Stromes gegen die Netzspannung
in Reihe mit der Feldwicklung des Triebmotors ein Kondensator geschaltet ist. Solche
Schaltungen arbeiten in der Nähe der Resonanz zwischen Feld und Kondensator. Es
ist daher klar, daß die für die Erzeugung des Feldstromes erforderliche Spannung
klein ist, denn sie hat nur den durch die Verluste verursachten Spannungsabfall
zu überwinden. Die Speisung des Feldkreises erfolgt deshalb durch einen besonderen
Erregertransformator, welcher oberspannungsseitig an den Haupttransformator des
Fahrzeuges angeschlossen ist.
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Ist ein elastischer Bremsbetrieb erwünscht, d. h will man verhindern,
daß bei geringer Geschwindigkeitsänderung große Strom- und Drehmomentsänderungen
auftreten, so ist eine Kompoundierung notwendig. Eine solche wird durch einen sog.
Verbundwiderstand erreicht, der sowohl vom Feld- als auch vom Ankerstrom durchflossen
wird. Nimmt der Ankerstrom zu, so wächst der Spannungsabfall in diesem Widerstand
und damit im Feldstromkreis, so daß infolge der nun kleineren treibenden Spannung
der Feldstrom abnimmt. Hierdurch werden Stromstöße beim
Überschalten
auf eine andere Stufe des Haupttransformators oder bei Änderung der Fahrdrahtspannung
vermieden.
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Es hat sich nun gezeigt, daß sich der praktischen Verwirklichung derartiger
Schaltungen große Schwierigkeiten entgegenstellen, welche hauptsächlich darauf zurückzuführen
sind, daß sich der induktive und Ohmsche Widerstand des Feldstromkreises im Betrieb
ändern. Da es sich nun um eine Resonanzschaltung handelt, verlangt jede Änderung
der Reaktanz eine Änderung der Phasenlage des Feldstromes. Arbeitet man im gesättigten
Teil der Magnetisierungskennlinien, was aus Gründen der Motorausnutzung oft zweckmäßig
ist, so sind auch Widerstandsänderungen des Feldstromkreises von Einfluß auf die
Phasenlage des Feldstromes. Jede Veränderung dieser Phasenlage verursacht aber auch
eine Änderung des Winkels zwischen EMK und Netzspannung und damit zwischen Feld-und
Ankerstrom. Höchstes Bremsmoment wird aber nur dann erzielt, wenn diese beiden Ströme
in Phase sind. Das Bremsmoment ist also starken Schwankungen unterworfen. Diese
schädlichen Veränderungen im Feldstromkreis werden nun durch Schwankungen der Netzfrequenz
verursacht. Frequenzschwankungen sind in Bahnnetzen durchaus üblich, da die Speisung
der Netze durch bahneigene Werke erfolgt und die Maschinenregelung den starken Belastungsschwankungen
nicht immer schnell genug zu folgen vermag. Eine Vergrößerung der Netzfrequenz hat
beispielsweise eine Erhöhung der Feldspannung und eine Verkleinerung der Kondensatorspannung
zur Folge. Da die Ohmsche Komponente im Verhältnis zu diesen beiden Spannungen klein
ist, rufen schon kleine Frequenzschwankungen große Änderungen in der Phasenlage
des Feldstromes hervor. Ferner sind Schwankungen der Fahrdrahtspannung von Bedeutung,
wenn man im gesättigten Teil der Magnetisierungskennlinien arbeitet. Dann sinkt
beispielsweise bei steigender Spannung der induktive Widerstand des Feldstromkreises.
Der kapazitive Widerstand behält dagegen seinen Wert bei. Es ergeben sich also die
gleichen Wirkungen wie bei Änderung der Netzfrequenz. Veränderungen des induktiven
Widerstandes des Feldstromkreises können auch dadurch verursacht sein, daß sich
der Einlaufzustand der Bürsten ändert. In den durch die Bürsten kurzgeschlossenen
Windungen des Ankers fließen unter dem Einfluß des Erregerfeldes Ströme, «-elche
eine erhöhte Stromaufnahme im Feldstromkreis zur Folge haben. Damit ist aber eine
Abnahme des äquivalenten induktiven Widerstandes verbunden. Diese Kurzschlußströme
ändern sich nun, je nachdem, ob die Bürsten voll eingeschliffen sind oder nur an
einer Kante aufliegen. Gleichzeitig ändert sich auch die Einstellung der neutralen
Zone, so daß das Ankerfeld eine Komponente in oder entgegen der Richtung des Erregerfeldes
bekommt, Wodurch ebenfalls Änderungen des induktiven Widerstandes des Feldstromkreises
entstehen. Am unangenehmsten macht sich diese Erscheinung bei Umkehr der Drehrichtung
bemerkbar, denn dann kippen die Bürsten und liegen zunächst nur an einer Kante auf.
Die Verschiebung der neutralen Zone ist dann am größten. Von großem Einfluß sind
außerdem die Kurzschlußströme in den kurzgeschlossenen Windungen des Ankers, die
im Feldstromkreis auftretenden Verluste und damit der äquivalente Widerstand des
Feldstromkreises. Dieser Widerstand ist in starkem Jlal.'e abhängig von der Drehzahl
und dem Ankerstrom. Im Leerlauf ist er bei aufliegenden Bürsten ein Vielfaches desjenigen
Wertes, welcher sich bei abgehobenen Bürsten ergibt. Bei Belastung «-erden nun diese
Kurzschlußströme dadurch ganz oder teilweise unterdrückt, daß unter dem Einfluß
des Wendefeldes in den kurzgeschlossenen Windungen durch die Umdrehung eine E1IK
induziert wird, «-elche der transformatorisch induzierten EMK entgegengerichtet
ist. Die Größe dieser E1IIL der Drehung ist abhängig von der Geschwindigkeit und
von der Größe des Ankerstromes. Im Bremsbetrieü wird deshalb in Reihe mit den Wendepolen
ein Ohmscher Widerstand und parallel zu dieser Reihenschaltung eine Drosselspule
geschaltet. Dadurch erhält der Wendepolstrom eine Voreilung gegen den Ankerstrom,
und das Wendefeld hat zwei Komponenten, von denen die eine die sog. Gleichstromkommutierung
bewirkt und die andere die EPIK der Transformation je nach Ankerstrom und Drehzahl
ganz oder teilweise aufhebt. Die Folge davon ist natürlich eine beträchtliche Veränderung
des Widerstandes des Feldstromkreises, und zwar nimmt dieser mit steigendem Ankerstrom
und steigender Drehzahl ab. Abgesehen davon, daß solche Widerstandsänderungen beim
Arbeiten im gesättigten Teil der Feldkennlinien Änderungen der Pliaseiilage des
Feldstromes zur Folge haben, ergibt sich noch der große Nachteil, daß die Wirkung
des Verbundwiderstandes ganz oder teilweise durch diese Erscheinung wieder aufgehoben
-,wird. Man muß also, um noch genügende Verbundwirkung zu erreichen, den Widerstand
beträchtlich größer machen, als wenn der Widerstand des Feldstromkreises deichbleibend
wäre. Die nutzlos vergeudete Bremsenergie steigt somit stark an, und der Wirkungsgrad
der Bremsung wird schlecht.
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Man hat nun versucht, all: erwälititen
schädlichen
Einflüsse dadurch zu mildern, daß man große Widerstände sowohl vor den Anker als
auch vor das Feld geschaltet hat, was natürlich, wenn eine bestimmte Verbundwirkung
erzielt werden soll, auch einen großen Verbundwiderstand ergibt. Der Wirkungsgrad
solcher Schaltungen ist daher außerordentlich schlecht, und von einer eigentlichen
Nutzbremsung kann kaum gesprochen werden.
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Eine gewisse Besserung dieser Verhältnisse ist dadurch eingetreten,
daß man Einrichtungen vorgesehen hat, durch welche der im Feldstromkreis des Fahrmotors
liegende Kondensator selbsttätig in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung geregelt
wird. Diese Regelung erfolgt entweder durch ein auf Netzspannung und Ankerstrom
ansprechendes wattmetrisches Relais in Verbindung mit einem Servomotor oder besser
mittels eines Zweiphasenasynchronmotors, dessen eine Wicklung vom Ankerstrom und
dessen andere Wicklung vom Feldstrom des Fahrmotors gespeist wird. Die starken Schwankungen
im induktiven Widerstand des Feldstromkreises in Abhängigkeit von der Frequenz,
Spannung und Einstellung der neutralen Zone konnten durch diese Maßnahme durch entsprechende
Veränderungen des Kondensators ausgeglichen werden. Es zeigte sich jedoch', daß
die gleichfalls vorhandenen sehr großen Schwankungen des scheinbaren Widerstandes
des Feldstromkreises nicht beseitigt werden konnten. Man war immer noch gezwungen,
große zusätzliche Widerstände in den Feldstromkreis einzuschalten, um diese Schwankungen
relativ kleiner zu machen. Hierdurch vergrößern sich aber entsprechend die Nennleistung
und das Gewicht des Erregertransformators. Außerdem bringt, wie schon oben erwähnt,
jede Vergrößerung des Widerstandes des Feldstromkreises zwangsläufig auch eine Vergrößerung
des Verbundwiderstandes mit sich.
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Die Mängel der bekannten Anordnung werden nach der Erfindung dadurch
beseitigt, daß die Wendepole des Fahrmotors von einer zusätzlichen Wicklung des
zur Speisung des Feldstromkreises dienenden Erregertransformators unter Vorschaltung
einer Induktivität erregt werden. Die Anordnung wird dabei so getroffen, daß die
zusätzliche Wicklung des Erregertransformators erhöhte Streuung hat. Die zusätzliche
Erregung der Wendepole vom Erregertransformator aus bezweckt, daß schon im Leerlauf
und bei kleinen Ankerströmen Kurzschlußströme in den von den Bürsten kurzgeschlossenen
Windungen zum mindesten teilweise unterdrückt werden. Der äquivalente Widerstand
des Feldstromkreises ist also schon im Leerlauf und bei kleinen Ankerströmen verhältnismäßig
niedrig, weshalb mit wachsendem Ankerstrom keine so starke Abnahme des Widerstandes
des Feldstromkreises mehr eintreten wird.
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Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel bedeutet
a den Haupttransformator des Fahrzeuges, b den Anker und c das Feld des Triebmotors.
Letzteres wird durch den kleinen Erregertransformator d fremderregt und ist mit
dem regelbaren Kondensator e und dem Verbundwiderstand f in Reihe geschaltet. Der
Erregertransformator d ist primärseitig an die Spannung U, des Haupttransformators
angeschlossen. Der Ankerstromkreis wird aus dem Anker b, der Wendepolwicklung g
und dem Verbundwiderstand f gebildet und liegt an der Spannung U des Haupttransformators.
Der zur Regelung des Kondensators dienende Zweiphasenasynchronmotor Ia hat zwei
Wicklungen i und k, von denen die Wicklung i im Ankerstromkreis und
die Wicklung k im Feldstromkreis liegt. Der Verlauf des Ankerstromes J" und - Feldstromes
lf ist durch Pfeile in der Zeichnung kenntlich gemacht. Der Erregertransformator
d hat eine dritte Wicklung m, welche die Wendepole g unter Vorschaltung einer Drosselspule
n unabhängig vom Ankerstrom erregt. Die Drosselspule n hat den Zweck, eine gegenseitige
Beeinflussung der vom Ankerstrom hervorgerufenen und der durch die zusätzliche Erregung
erzeugten Wendepolfelder zu verhindern.
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Es ist zwar eine Wendepolschaltung bei Einphasen - Wechselstrom -
Kollektormotoren bekanntgeworden, bei welcher zum Zwecke guter Kommutierung die
Wendepole von einem hierfür besonders erforderlichen Transformator unter Vorschaltung
einer Drosselspule erregt werden. Man hat aber nicht die außerordentlichen Vorteile
wahrgenommen, welche sich bei der Wechselstromnutzbremsung mit Kondensator im Feldstromkreis
ergeben, wenn man für diese Erregung den an sich schon vorhandenen Erregertransformator
verwendet. Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen demnach vor allem
darin, daß die Zahl und Größe der in der Nutzbremsschaltung erforderlichen zusätzlichen
Widerstände auf ein Mindestmaß beschränkt werden. Selbst der an sich nötige Verbundwiderstand
wird wesentlich kleiner, und damit wird die nutzlos vergeudete Bremsenergie ganz
wesentlich herabgesetzt. Es wird auch die zur Erzeugung eines bestimmten Feldstromes
benötigte Spannung beträchtlich vermindert, was einer Verkleinerung der Erregerleistung
und damit des Erregertransforinators gleichkommt. Nebst dem kann ein besonderer
Transformator für die Erregung
der Wendepole weggelassen «-erden,
und es fallen die Verluste fort, die in dem den Wendepolen in der üblichen Schaltung
vorgeschalteten Widerstand entstehen. Diese Verluste sind ziemlich groß, da ein
verhältnismäßig großer Widerstand nötig ist, um eine Voreilung des Wendepolstromes
gegenüber dem Ankerstrom zu erzielen. Ferner ist der Wirkungsgrad der Nutzbremsung
durch die erfindungsgemäße Schaltung ganz erheblich verbessert und die jährlich
zurückgewonnene Kilowattstundenzahl damit vergrößert. Selbst die Kommutierung ist
im ganzen Bremsbereich und sogar im Leerlauf als sehr günstig anzusprechen.