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Schalteinrichtung zur Umschaltung von Widerstandsbremsung auf Nutzbremsung,
insbesondere für elektrische Gleichstromfahrzeuge Bei Gleichstromfahrzeugen, 'die
mit Nutzbremsung betrieben «erden sollen, 'hei denen also die Bremsenergie weitgehend
als Nutzenergie in das vorhandene Netz zurückgespeist werden soll, kommt es im wesentlichen
darauf an, @daß bei der Umschaltung auf Nutzbremsen die Ankerspannung der Fahrmotoren
gleich oder annähernd .gleich der Netzspannung ist, da sich sonst hohe Stromstöße
und Rundfeuer an den Maschinenergehen. Meistens wird der Bremsvorgang in zwei Stufen
unterteilt, derart, daß die Bremsenergie so lange in Widerständen \-ernichtet wird,
bis die Ankerspannung annähernd den Wert der Stromschienenspannung erreicht hat,
und daß erst in diesem Augenblick durch Betätigung eines Bremsumschalters auf Nutzbremsung
umgeschaltet wird. Es müssen daher Mittel %,orgesehen werden. mit deren Hilfe der
Bremsumschalter von der WiderstandAhremsung selbsttätig dann auf .die Nutzbremsungumgeschaltet
wird, wenn beim Bremsen des Fahrzeuges die Ankerspannung der Fahrmotoren annähernd
gleich der Stromschienenspannung ist. Das einfachste Mittel zur Einleitung der Umschaltung
auf Nutzbremsen ist ein Bremsstramwäclrter, dessen Spule vom Ankerstrom der fr ahrmotoren
durchflossen ist und der bei einer Stromstärke anspricht, bei der die Spannung der
Fahrmotoren weitgehend der Spannung des Netzes entspricht. Es :trat sich aber gezeigt,
daß die allein vom Strom abhängige Umschaltung in den meisten Fällen nicht zweckmäßig
ist, da die Stromschienenspannung je nach der Belastung des Netzes verhältnismäßig
großen Schwankungen unterliegt, so daß diesebeispielsweise unter ungünstigen Bedingungen
von ihrem Normalwert
von beispielsweise 1200 V infolge der Nutzbremsungen
auf etwa 160o V steigen, andererseits aber auch auf etwa joo bis 80o V absinken
kann. Um nun mit Sicherheit zu erreichen, daß das Umschalten auf Nutzbremsen unabhängig
von der jeweiligen Stromschienenspannung stets dann erfolgt, wenn Stromschienenspannung
und Ankerspannung der Maschinen weitgehend übereinstimmen, ist es naheliegend, einen
Spannungsvergleichswächter zu verwenden, dessen Schwingspule von den beiden zu vergleichenden
Spannungen (Stromschienenspannung und Ankerspannung) erregt wird. Der Spannungsvergleichswächter
wird dabei zweckmäßig so eingestellt, daß er, sobald Stromschienenspannung und Ankerspannung
der Fahrmotoren annähernd übereinstimmen, anspricht und die Spule des Bremsumschalters
bzw., falls dieser über einen Druckluftschaltapparat gesteuert wird, dessen Ventilspule
erregt und damit die Umschaltung auf Nutzbremsen bewirkt. Es hat sich aber gezeigt,
daß zwischen der Erteilung des Schaltbefehls, die durch das Ansprechen des Spannungsvergle.ichsw.ächters
gegeben ist, und der tatsächlichen Umschaltung des Bremsumschalters infolge der
Trägheit der Schaltgeräte eine gewisse Zeit verstreicht, während der die Motorspannung
weiter ansteigt. So kann es beispielsweise, insbesondere beim plötzlichen Übergang
auf kräftiges Bremsen bei hoher Fahrgeschwindigkeit, vorkommen, daß die Ankerspannung
im Augenblick der Umschaltung weit größer ist als die Stromschienenspannung, was
wiederum eine beträchtliche Stromspitze und Rundfeuer zur Folge hat.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Schalteinrichtung
für die Umschaltung von Widerstandsbremsung auf Nutzbremsung für Gleichstromfahrzeuge
zu schaffen, bei der der Schaltbefehl .für die Umschaltung des Bremsumschalters
auf Nutzbremsen mittels eines Spannurtgsvergleichswächters, an dessen Stelle beispielsweise
auch eine Spannungswaage treten kann, erfolgt und mit deren Hilfe sichergestellt
wird, .daß im Augenblick der Umschaltung auf Nutzbremsen nahezu Spannungsgleichheit
zwischen der Ankerspannung der Fahrmotoren und der Stromschienenspannung besteht.
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Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Einschaltbefehl
zur Umschaltung auf Nutzbremsen durch Kontaktgabe des Spannungsvergleichswächters
zeitlich so vorverlegt wird (Voreilung), daß die durch dieTrägheit der Schaltgeräte
gegebene Zeit bis zur tatsächlichen Umschaltung durch Umlegen des Bremsumschalters,
während der die Ankerspannung weiter ansteigt, kompensiert wird.
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Die Einstellung dieser Voreilung kann gemäß der weiteren Erfindung
beispielsweise dadurch erzielt werden, daß am Spannungsvergleichswächter nur ein
gewisser Teil der Stromschienenspannung mit der Ankerspannung der Fahrmotoren verglichen
wird. Dies hat zur Folge, daß der Spannun.gsve.rgleic.hswächter dann anspricht,
wenn die Ankerspannung diesen Teil der Stromschienenspannung überschritten hat.
Der erwähnte Teil der Stratnsc.hienenspannung, der für den Spannungsvergleich am
Spannungsvergleichswächter herangezogen wird, wird dabei so gewählt, daß die bis
zur tatsächlichen Umschaltung weiter ansteigende Ankerspannung der Fahrmotoren im
Augenblick der Umschaltung annähernd den Wert der Stromschienenspannun erreicht.
Der für den Spannungsvergleich notwendige Teil der Stromschienenspannung wird zweckmäßig
über einen Spannungsteiler abgegriffen.
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Wesentlich vorteilhafter ist es aber, an Stelle der Einstellung der
Voreilung mittels des eben erwähnten Spannungsteilers die Voreiliung in weiterer
Ausbildung der Erfindung durch ,die einstellbare Federkraft der Rückzugsfeder des
Spannungsvergleichsw-ächters festzulegen, die bei einer bestimmten, der gewünschten
Voreilung entsprechen, den Spannungsdifferenz zwischen Ankerspannung und Netzspannung
die Zugkraft der Schwingspule des Spannungsvergleichswächters überwindet, den Kontakt
des Spannungsvergleichswächters schließt und d'amif die Umschaltung auf Nutzbremsen
einleitet. Diese zuletzt erwähnte Einrichtung, ;bei der die Voreilung durch die
einstellbare Federkraft der Rückzugsfeder des Spannungsvergleichswächters eingestellt
wird, wird im folgenden an Handdes in der Abbildung dargestellten Ausfiihrungsbeispieles
der Erfindung für ein Fahrzeug mit vier Motoren näher erläutert.
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In dem Schaltbild, das die hier allein interessierende Bremsschaltung
veranschaulicht, sind mit d und b die in zwei Gruppen aufgeteilten Fahrmotoren eines
elektrischen Gleichstromfahrzeuges bezeichnet, die beim Einleiten der Bremsung auf
die Widerstände dl und d3 geschaltet sind (Widerstandsbremsung) und, sobald die
Ankerspannung ,der Fahrmotoren a und b annähernd mit der Spannung des Fahrnetzes
e übereinstimmt, vermittels des Bremsumschalters c auf Nutzbremsung umgeschaltet,
d. h. mit dem Netz e zusammengeschaltet werden. Die Steuerung des Bremsumschalters
c erfolgt bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels eines Druckluftschaltapparates
A bekannter Ausführung, der im wesentlichen aus einem Dru-ckluftkolben f, einer
Ventilspule g, einer Klinkenspule h und der Klinkeneinrichtung i besteht. An Stelle
dieser Druckluftschalteinrichtung kann jedoch der Bremsumschalter auch als Schaltmagnet
ausgebildet sein. Eingeleitet wird die Umschaltung des Bremsumschalters c auf Nutzbremsen
im wesentlichen mittels des Sp.anrnungsvergleichswächtersB, der eine vom Bremsstrom
durchflossene Topfspule k sowie eine Schwingspule m besitzt, die von der
Ankerspannung der Fahrmotoren einerseits sowie der Spannung des Fahrnet7es e über
einen Widerstand n andererseits erregt wird. Der Spannungsvergleichswächter B ist
so eingestellt, daß er dann anspricht, wenn zwischen der Spannung der Fahrmotoren
und der Stromschienenspannung des Netzes e eine bestimmte, der erforderlichen Voreilung
entsprechende Differenz besteht, die .so bemessen ist, daß in der Zeit vom Ansprechen
des
Spannungsvergleichswächters bis zur tatsächlichen Umschaltung
des Bremsumschalters c, während der die Ankerspannung der Fahrmotoren weiter ansteigt,
die Größe der Ankerspannung annähernd den Wert der Stromschienenspannun@g erreicht
.hat, Es sei noch erwähnt, daß die Schwingspule m des Spannungsvergleichswächters
B über ein Schütz C an die zu vergleidhenden Spannungen gelegt wird, dessen Spule
o über einen Widerstand p voni 13renisstrotn erregt wird. Der Widerstand p ist dabei
so bemessen, daß das Schütz C erst dann anspricht, wenn der Bremsstrom so weit angestiegen
ist, alaß seine Spannung sich der Spannung des Netzes c nähert. Dies hat den Vorteil,
daß die Schwingspule erst dann erregt wird, wenn die Differenz der zu vergleichenden
Spannungen nicht allzu groß ist, wodurch die Schwingspule in vor Vlrerlastung geschlitzt
und für ein verhältnismäßig empfindliches Ansprechen bemessen werden kann.
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Im folgenden wird nun die Wirkungsweise der Schalteinrichtung nach
der Erfindung näher erläutert, wobei gleichzeitig die Bedeutung der weiteren in
der Schaltung vorkommenden Schaltelemente berücksichtigt wird. Bei dem dargestellten
Schaltzustand sind die Fahrmotoren a und b auf \-@'iderstaticlsbremsung geschaltet,
d. h. der Bremsumschalter nimmt, wie aus der Abbildung ersichtlich ist, eine Stellung
ein, bei der die Anker der Fahrmotoren auf die Widerstände d, und d2 geschaltet
sind. Es wird nun vorausgesetzt, daß der Kontakt i des Spannungsvergleichswächters
B in der Leitung 2 unter der Wirkung der Rückzugsfeder des Spannungsvergleichswächters
geschlossen ist. Steigt nun leim weiteren Bremsen der Bremsstrom und damit auch
die Ankerspannung der Motoren an, so wird die Spule o bei einem bestimmten Wert
derselben über den Widerstand p erregt, und das Schütz C spricht an und schließt
damit seine Kontakte 3 und .4. Da aber in diesem Augenblick der auf eine bestimmte
Stromstärke, z. B. iooAmp., ,eingestellte Bremsstromwächter D noch offen ist, wird
weder die Ventilspule g noch die Klinkenspule lt des Druckluftschaltapparates A
erregt. Da außerdem zwischen der Ankerspannung der Fahrmotoren und der Stromschienenspannung,
die beide auf die Schwingspule des Spannungsvergleichswachters B wirken, eine beträchtliche
Differenz besteht, überwindet' die Schwingspule die Federkraft der in der Abbildung
der Einfachheit halber weggelassenen Rückzugsfeder des Spannungsvergleichswächters,
so daß dieser den Kontakt i in der Leitung 2 öffnet. Beim weiteren Ansteigen des
Bremsstromcs spricht daraufhin der z. B. auf too Amp. eingestellte ßremsstromwäcliter
D an, wodurch die Klinkenspule h des Druckluftschaltapparates über die Leitungen
5 und 6 erregt wird. Damit nimmt die Klinke i ihre Sperrstellung ein, so daß die
Schaltapparatur für das Umschalten auf Nutzbremsen vorbereitet ist. Die Ankerspannung
steigt nunmehr weiter an und nähert sich allmählich dem fiert der Stromschienenspannung.
Die Spannung iii der Schwingspule wird damit kleinerundkleiner, und bei einem bestimmten,
der Voreilung entsprechenden Wert derselben überwindet der Spannungsvergleichswächter
die FederkcaftseinerRückzugsfeder, so daß sein Kontakt i in der Leitung 2 geschlossen
wird. Die Folge ist, daß die Ventilspule g über die Leitung 5, den Kontakt 3 des
Schützes C und den geschlossenen Kontakt i des Spannungsvergleichswächters B erregt
wird. Dadurch wird das Ventil q des Druckluftschaltapparates geöffnet, der Kolben
f durch die Druckluft nach oben gedrückt und damit der Bremsumschalter auf seine
Stellung »Nutzbremsen.« umgelegt. Bis zu diesem Zeitpunkt der Umschaltung, die im
wesentlichen durch die Trägheit der Schaltapparatur gegeben ist, ist aber die Ankerspannung
der Fahrmotoren so weit angestiegen, daß in gewünschter Weise im Augenblick .derUmschaltungweitgehende
Übereinstimmung zwischen der Größe der Ankerspannung und der Größe der Netzspannung
besteht.
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Wie bereits oben erwähnt wurde, läßt sich in Abweichung von der eben
beschriebenen Einrichtung die Voreifung auch dadurch festlegen, daß unter Zuhilfenahme
eines Spannungsteilers von vornherein nur ein bestimmter Prozentsatz der Stromschienenspannung
zum Spannungsvergleich am Spannungsvergleichswächter herangezogen wird. Die an Hand
der Abbildung beschriebene Einrichtung, bei der die Voreilung mit Hilfe der Federkraft
der Rückzugsfeder des Spannungsvergleichswächters eingestellt wird, hat aber demgegenüber
noch den .besonderen Vorteil, daß die Einrichtung bei hoher Stromschienenspannung,
wie dies wünschenswert ist, mit geringer Voreilung und bei niedriger Stromschienenspannung
mit größerer Voreilung den Vorgang des Nutzbremsens einleitet. Dies läßt sich folgendermaßen
erklären: Der Spannungsvergleichswächter besitzt, wie bereits oben erwähnt, außer
der an der Differenz zwischen Netz- und Ankerspannung liegenden Schwingspule m noch
die vom Bremsstrom durchflossene Topfspule k. Bei hoher Stromschienenspannung muß
der Bremsstrom kurz vor der Parallelschaltung größer sein als bei niedriger Stromschienenspannurug.
Da die Rückzugskraft der Feder des Spannungsvergleichswächters in leiden Fällen
die gleiche ist, muß die Umschaltung desselben zwangsläufig bei großem Strom bei
kleinerer Spannungsdifferenz erfolgen als bei kleinerem Strom.
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Sinkt die Ankerspannung der Fahrmotoren unter einen für die Nutzbremsung
geeigneten Wert ab, so wird der Bremsumschalter c selbsttätig in seine Stellung
»Widerstandsiliremsen« zurückgeschaltet. Dies kann beispielsweise durch den Bremsstromwächter
D selbst erfolgen, der ibeim Absinken des Bremsstromes unter einen bestimmten Wert
öffnet und damit den Stromkreis der Klinkenspule h unterbricht. Die Klinke wird
dann durch den Magnet der Klinkenspule zurückgezogen, wodurch .der Bremsumschalter
zurückfällt und die Fahrmotoren wiederum mit den Widerständen dl und d. verbindet.
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Für die wirtschaftliche Anwendung der Nutzbremsung muß es im übrigen
sichergestellt werden,
daß die Einrichtung auch im unteren Bereich
der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges einwandfrei arbeitet, d. h. auch beim Bremsen
aus verhältnismäßig geringer Fahrgeschwindigkeit Nutzbremsungen zustande kommen.
Hierzu ist es aber notwendig, daß die Voreilung nicht allzu groß bemessen werden
braucht. Ein wesentliches Mittel, die Voreilung klein zu halten, besteht darin,
daß die Eigenschaltzeiten der Schaltgeräte möglichst klein gehalten werden. Ein
wirksames Mittel für diesen Zweck besteht in Weiterbildung der Erfindung z. B. darin,
daß die Ventilspule g des Druckluftschaltapparates A bereits beim Übergang zum Bremsen
vorerregt wird. Auch dies ist in der Abbildung berücksichtigt, wo die Ventilspule
g bereits vor dem Zustandekommen der Nutzbremsung von der Steuerspannung über einen
Widerstand u und die Leitung 7 vorerregt ist. Der Widerstand is wird dabei zweckmäßig
so bemessen, daß die Ventilspule g bei Vorerregung gerade noch nicht anspricht.
Setzt dann durch den Spannungsverglcichswächter die volle Erregung der Ventil's.pule
g ein, so wird das Ventil q sogleich geöffnet, da die notwendige Auferregung der
Ventilspule g wegfällt. Durch die Vorerregung der Ventilspule hat man es ohne weiteres
in der Ilarul, die Schaltzeit auf z. B. die Hälfte herabzusetzen und damit die erforderliche
Voreilung klein zu halten. Wird der Bremsumschalter nicht wie bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel von einem Druckluftapparat gesteuert, sondern selbst als reiner
elektrischer Schalter ausgebildet, so kann mit demselben Erfolg die Magnetspule
des Bremsumschalters vorerregt werden.