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Anordnung zur Steuerung von Schalt- und Stromwendungsvorgängen, insbesondere
zum Betrieb von elektrischen Lokomotiven aus einem Einphasen-Wechselstromnetz normaler
Frequenz Es ist eine Anordnung zur Steuerung von Schalt- und Stromwendungsvorgängen
bei Gleich-und Wechselstrom mittels gittergesteuerter Stromrichter vorgeschlagen
worden, deren Anoden außer dem Strom von Betriebsfrequenz noch ein Wechselstrom
von wesentlich höherer Frequenz (Überlagerungsfrequenz) zugeführt wird. Hierbei
wird der Überlagerungsstrom jeder Stromrichterphase über zwei für den Betriebsstrom
gleichphasige, einer gemeinsamen Kathode zwgeo:rdnete Anoden zugeführt.
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Die Erfindung betrifft eine besonders zweckmäßige Anwendung dieser
Steuerung von Schalt-und Stromwendungsvorgängen, insbesondere zum Betrieb von elektrischen
Lokomotiven aus einem Einphasen-Wechselstromnetz normaler Frequenz. Bekanntlich
wird für die elektrische Zugförderung in großem Umfang der Einphasen-Reihenschlußmotor
verwendet. Jedoch haftet dieser Maschinenart vor allem der Nachteil an, daß die
beim Anfahren in den von den Bürsten kurzgeschlossenen Spulen auftretende, durch
kein Mittel zu beseitigende EMK der Ruhe die Stromwendung derart erschwert, daß
man gezwungen ist, die von der üblichen Wechselstromfrequenz 50 so stark
abweichende Bahnfrequenz 162/s zu verwenden. Es hat zwar nicht an zahlreichen Vorschlägen
gefehlt, die den Betrieb aus einem normalen Netz zum
Ziele haben,
jedoch konnten sich diese Vorschläge wegen anderweitiger Nachteile nicht durchsetzen.
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Gemäß der Erfindung wird nun insbesondere der Betrieb von elektrischen
Lokomotiven aus einem Einphasen--Wechselstromnetz normaler Frequenz dadurch ermöglicht,
daß die Fahrmotoren mit ihrem Ständer ans Netz angeschlossen sind und der drei-
oder mehrphasig ausgebildete Läufer über eine getrennt aufgestellte Schalt- bzw.
Stromwendevorrichtung so gesteuert wird, daß sich der Winkel zwischen Ständer- und
Läuferwicklungsachse entsprechend dem verlangten Drehmoment sowohl im motorischen
als auch im generatorischen Betrieb frei einstellen kann, und zwar innerhalb eines
Winkelbereiches, der durch besondere Mittel begrenzt werden kann und innerhalb dessen
die Drehzahl der Fahrmotoren durch einen die Schaltvorrichtung antreibenden Steuermotor
bestimmt wird, der an den Grenzen des Winkelbereiches durch eine nur nach einer
Seite wirkende Kupplung mitgenommen wird. Die Fahrmotoren weisen also im wesentlichen
den Aufbau von einphasigen Asynchronmotoren auf, und die Ständerwicklungen können
unmittelbar ohne Vorschaltung eines Umspanners an das Fahrleitungsnetz angeschlossen
werden. Die mehrphasig ausgebildete Läuferwicklung ist an Schleifringe angeschlossen.
Wenn mehrere Fahrmotoren betrieben werden, werden diese Läuferwicklungen zueinander
parallel geschaltet, so daß die Motoren völlig im Gleichlauf arbeiten. Durch den
Anschluß der Läuferwicklungen an die Schaltanordnung des Hauptpatents werden nun
die Läufer einachsig kurzgeschlossen, und die Kurzschlußachse wird unabhängig von
der Drehung im Raum festgehalten in ähnlicher Weise wie bei einem Repulsionsmotor.
Infolge der Drehung der Fahrmotoren würde die einmal kurzgeschlossene Achse mit
der Drehung des Läufers wandern. Sie muß daher immer wieder an die ursprüngliche
Stelle zurückverlegt werden. Dies erfolgt durch eine außerhalb der Maschine angeordnete
Schaltvorrichtung, z. B. nach Art eines Kontaktumformers, in Verbindung mit einem
gesteuerten Stromrichter nach dem Hauptpatent. Wäre diese Schaltvorrichtung mit
einem der Fahrmotoren gekuppelt, so würde sich das Verhalten in keiner Weise von
dem eines Repulsionsmotors unterscheiden, d. h. die Fahrmotoren würden das bekannte
Reithenschlußverhalten aufweisen. Treibt man dagegen die Schaltvorrichtung getrennt
an, so bestimmt ihre Drehzahl auch die der Fahrmotoren. Diese laufen demnach synchron
mit der Welle der Kontaktvorrichtung um, können sich jedoch dieser gegenüber über
einen bestimmten Winkelbereich verdrehen in ähnlicher Weise, wie sich das Polrad
einer Synchronmaschine gegenüber dem Netzspannungsvektor verdrehen kann. Man kann
diesen zulässigen Drehwinkel durch zwei Endbegrenzungen festlegen, bei deren Erreichen
die Kontaktwelle von der Motorwelle mitgenommen wird, so daß auf diese Weise unzulässige
Winkelstellungen, wie z. B. die Kurzschlußstellung, vermieden werden. Fig. i der
Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel einer solchen Anordnung. i ist das Wechselstromnetz,
z. B. mit einer Frequenz von 5o Hz, aus dem die Ständer der Fahrmotoren 2 unmittelbar
gespeist werden. Die Ständer können wie die Pole einer Synchronmaschine mit normaler
Schenkelpolwicklung ausgeführt werden zum unmittelbaren Anschluß an Hochspannung.
Die Läufer können eine normale Drehstromwicklung (geschlossen oder offen) bzw. eine
geschlossene Gleichstromwicklung besitzen mit drei oder mehr gleichmäßig verteilten
Anzapfungen, die an Schleifringe geführt sind. Diese sind an eine nicht näher bezeichnete
gemeinsame Sammelschiene angeschlossen. Infolge dieser ständer- und läuferseitigen
Parallelschaltung würden sich alle Läufer gleichwinklig zueinander einstellen. Die
L äufersammelschiene kann nun durch eine Kontaktvorrichtung nach Art eines Kontaktumformers
3 einachsig kurzgeschlossen werden. Durch die Wahl der Schaltfolge kann die Kurzschlußachse
alle Phasen im Wechsel durchlaufen. Das Ab- und Zuschalten erfolgt im stromlosen
Zustand durch die Schaltdrosselspule q. in Verbindung mit dem gittergesteuerten
Stromrichter 5, dem Überlagerungsumspanner 6 und der Hochfrequenzmaschine 7 gemäß
dem Hauptpatent. Die überlagerte Hochfrequenz ermöglicht eine Sperrung und Beaufschlagung
der Gitter unabhängig von der Betriebsfrequenz. Der Kontaktumformer 3 wird von dem
regelbaren Motor 8 angetrieben, der durch seine Drehzahl auch die der Fahrmotoren
2 bestimmt. Die kurzgeschlossene Läuferwicklungsachse sucht sich stets gleichachsig
mit der Ständerwicklungsachse einzustellen. Das würde aber der Kurzschlußstellung
entsprechen, in der die Maschinen einen großen Strom aufnehmen, ohne ein Drehmoment
zu entwickeln. Diese Betriebsstellung wird dadurch verhindert, daß bei Erreichen
eines größten noch zulässigen Winkels zwischen Ständer-und Läuferwicklungsachse
eine starre Kupplung der Kontaktumformerwelle mit einer der Fahrmotorwellen stattfindet.
Das Drehmoment beim Repulsionsmotor ist bekanntlich Null, wenn Ständer- und Läuferwicklungsachse
aufeinander senkrecht stehen (a = o; Fig. 2). Es nimmt dann mit dem Winkel a zu,
erreicht einen Höchstwert bei etwa a = 75° und ist bei a = 9o° wieder Null. Fig.3
zeigt den ungefähren Verlauf des Drehmoments bei einem Repulsionsmotor über dem
Bürstenwinkel für positive und negative Werte von a. Bei den zugelassenen Grenzwerten
von z. B. bei a = ± 75' findet eine starre Kupplung mit einer der Fahrmotorwellen
statt. Dies ist in Fig. i durch eine strichpunktierte Linie 9 angedeutet. Bei allen
anderen Winkeln kann sich die Kontaktumformerwelle gegenüber der Fahrmotorwelle
frei einstellen. Die Drehzahl der Kontaktumformerwelle wird hierbei nur durch den
Antriebsmotor 8 bestimmt. Die freie Einstellbarkeit der Kontaktumformerwelle ist
in Fig. i durch zwei Differentialgetriebe io und ii angedeutet. Je eine Welle dieser
Getriebe wird vom Motor 8 angetrieben, die
zweite Welle des Getriebes
io treibt die Kontaktumformerwelle an, während die zweite Welle des Getriebes i
i über eine Kupplung (Einflußlinie 9) mit einer der Fahrmotorwellen gekuppelt ist.
Die dritten Wellen der beiden Differentialgetriebe sind über den Waagebalken 12
miteinander gekuppelt, auf den ein Federpaar 13 und 14 einwirkt und der sich zwischen
zwei festen, jedoch einstellbaren Anschlägen 15 und 16 bewegen kann. Die Mittelstellung
des Waagebalkens 12 entspricht z. B. dem Achsenwinkel a = o, der eine Endanschlag
dem Wert a = -I- 75°, der andere dem Wert a = -75°. Der Regelvorgang vollzieht sich
nun auf folgende Weise: Wird der Motor 8 (Steuermotor) in -einer bestimmten Richtung
in. Bewegung gesetzt, so hat dies bei zunächst noch stillstehenden Fahrmotoren :2
eine Änderung des Winkels a zur Folge, z. B. im positiven Sinn. Infolgedessen entwickeln
auch die Fahrmotoren 2 ein Drehmoment und setzen sich in Bewegung. Während der Winkel
a unter dem Einfluß des ?Motors 8 weiter zuzunehmen versucht, wird er nun durch
Beeinflussung längs der Einflußlinie 9 zurückgedreht. Solange der Motor 8 noch voreilt,
nimmt der Winkel noch zu, eilt jedoch der Einfluß längs der Einflußlinie 9 vor,
so nimmt der Winkel ab. Es spielt sich so ein Gleichgewichtszustand ein, bei dem
der Winkel a gerade einen solchen Wert annimmt, daß die Drehzahl des Motors 8 der
durch die Beeinflussung längs der Einflußlinie 9 bestimmten Drehzahl gleich ist.
Der Winkel a kann hierbei alle Werte zwischen -i- 75° und - 750 einnehmen. Es wird
sich stets ein solcher Wert von a einstellen, daß die Fahrmotoren das bei der jeweiligen
Drehzahl benötigte Drehmoment entwickeln. Beim Anfahren läuft zunächst nur der Steuermotor
8 an, während die Fahrmotoren 2 und auch die längs der Einflußlinie 9 gesteuerte
Welle noch stillstehen. Der Winkel a nimmt daher zu, bis er bei den Anschlägen
15 bzw. 16 die Grenzwerte erreicht hat. Wären die Fahrmotoren bis dahin noch
nicht angelaufen, so würde durch die Anschläge der Steuermotor 8 festgehalten werden.
Die beiden Federn 13 und 1q. haben die Aufgabe, ein Hin- und Herpendeln des Waagebalkens
12 zwischen den beiden Anschlägen 15 und 16 zu verhindern. Sie bewirken zugleich
eine Belastung des Steuermotors 8 mit zunehmendem Winkelausschlag. Gibt man dem
Steuermotor 8 Reihenschlußverhalten, so nimmt mit zunehmendem Winkel a seine Drehzahl
im motorischen Bereich der Fahrmotoren ab, im generatorischen Bereich dagegen zu.
Der Steuermotor 8 gibt demnach durch sein Verhalten auch den Fahrmotoren das für
Fahrzeuge so erwünschte Reihenschlußverhalten: Wenn beim Lauf der Fahrmotoren -
der Waagebalken 12 an einem der Endanschläge 15 oder 16 anliegt, so muß der Steuermotor
8 zwangläufig die Drehzahl der Fahrmotoren annehmen und winkelgleich mit ihnen umlaufen.
Außer den beiden Federn 13 und 14 kann noch eine zusätzliche Dämpfung angebracht
werden.
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Die Anordnung ermöglicht auf einfachste Weise generatorisches Arbeiten
der Fahrmotoren. Da im normalen Betrieb der Winkel a zwischen den beiden Anschlägen
15 und 16 spielt, kann er auch negative Werte annehmen. Die Fahrmotoren würden hierbei
versuchen, motorisch in der entgegengesetzten Richtung wie bisher zu laufen. Werden
sie jedoch von außen in der bisherigen Richtung angetrieben, so arbeiten sie generatorisch.
Eine unerwünschte Selbsterregung kann hierbei nicht auftreten, weil der Winkel a
nicht wie beim Repulsionsmotor eine starre Größe ist, sondern sich ähnlich wie der
Polradwinkel einer Synchronmaschine dem jeweiligen Lastmoment anpassen kann. Die
Bremsung des Fahrzeuges vollzieht sich daher auf einfachste Weise dadurch, daß die
Drehzahl des Steuermotors 8 verringert wird. Die Bremsung kann dann bis zum Stillstand
durchgeführt werden. Eine besondere Bremsschaltung wie bei den bisher bekanntgewordenen
elektrischen Fahrzeugantrieben ist daher nicht erforderlich.
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Die Anordnung nach der Erfindung ermöglicht daher, alle an elektrische
Schienenfahrzeuge zu stellenden Anforderungen auf einfache Weise zu erfüllen; der
Wegfall von Stromwendern bei den einzelnen Fahrmotoren und ihr Ersatz durch Schleifringe
kann als besonderer Vorteil gewertet werden. Führt man die Wicklungen aus Aluminium
und die Schleifringe aus Eisen oder Kohle aus, so wird für den Fahrzeugantrieb überhaupt
kein Kupfer benötigt. Die Welle des Kontaktumformers 3 und die Schaltdrosselspule
q. können auch wegfallen, wenn man statt dessen je Phase zwei zweianodige Stromrichter
vorsieht, wie bereits im Hauptpatent angegeben ist. Der Steuermotor 8 treibt dann
lediglich die Steuerwelle zur Gittersteuerung dieser Gefäße an. Der ganze Antrieb
besteht dann nur aus den Fahrmotoren und bei dreiphasiger Schaltung ihrer Läufer
aus sechs zweianodigen Gefäßen, einem Überlagerungsumspanner mit sechs Sekundärwicklungen
und der Hochfrequenzmaschine. Neben dem Wegfall von Stromwendungsschwierigkeiten,
wie sie aus der Verwendung von Stromwendermaschinen üblicher Bauart im Bahnbetrieb
bekannt sind, und neben der Möglichkeit, die Fahrmotoren in der gleichen Schaltung
sowohl motorisch als auch generatorisch betreiben zu können, läßt gerade die große
Einfachheit im Aufbau, der sogar einen unmittelbaren Hochspannungsanschluß der Fahrmotoren
ohne Verwendung eines regelbaren Umspanners ermöglicht, die großen Vorteile der
neuen Schaltung erkennen.
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Statt in der Repulsionsschaltung können die Fahrmotoren auch in der
Reihenschlußschaltung betrieben werden, ohne daß sich in der Wirkungsweise ein wesentlicher
Unterschied zeigt. Auch der Gleichlauf mehrerer Fahrmotoren unter Verwendung einer
einzigen Stromwendungsvorrichtung für alle kann in der gleichen Weise beibehalten
werden. Fig. q. zeigt eine solche Schaltung. i bedeutet wieder das Wechselstrombahnnetz,
2 die Fahrmotoren, deren Ständerwicklungen i7
zueinander parallel
geschaltet und mit dem einen Ende unmittelbar an die Hochspannung angeschlossen
sind. Das andere Ende führt über den Zwischenumspanner i9 an Erde. Eine zweite Ständerwicklung
18, deren Wicklungsachse senkrecht zu der ersten Ständerwicklung 17 angeordnet
ist, ist in sich kurzgeschlossen. Sie verhindert die Ausbildung eines Ankerquerfeldes
und könnte auch vom Ankerstrom unmittelbar in Reihenschaltung durchflossen werden.
Sie könnte auch ganz wegfallen. Die Läuferwicklung ist wie in Fig. i als normale
geschlossene oder offene Drehstromwicklung ausgeführt und an drei nicht näher bezeichnete
Schleifringe angeschlossen. Gleichphasige Schleifringe aller Fahrmotoren sind wieder
zueinander parallel geschaltet, um den Gleichlauf zu wahren. Die gemeinsamen Läuferanschlüsse
sind wieder über die Schaltdrosselspule 4 mit zugehörigem Überlagerungsumspanner
6 und einer Hochfrequenzmaschine 7 auf die Welle eines Kontaktumformers 3 geschaltet.
Bei dreiphasigem Läuferanschluß arbeitet diese mit mindestens sechs Kontakten, da
sie ja die jeweilige Läuferwicklungsachse nicht kurzschließen, sondern auf die Sekundärwicklung
des Zwischenumspanners i9 schalten muß. Steuermotor 8 mit den beiden Differentialgetrieben
io und ii und dem übrigen Zubehör vervollständigen wieder wie in Fig. i die Steuerung.
Die Anordnung arbeitet ähnlich wie die in Fig. i dargestellte. Im Gegensatz zu jener
sind jedoch bei Winkel a = o Ständer- und Läuferwicklungsachse gleichachsig. Wird
durch die Kontaktumformerwelle die Läuferwicklungsachse verstellt, so versucht sie
stets wieder den Winkel a = o mit der Ständerwicklungsachse zu bilden, bei dem die
von den Wicklungen aufgenommene magnetische Energie einen Kleinstw ert besitzt.
Der Winkel a = o entspricht der sogenannten Leerlaufstellung bei einem Drehstromreihenschlußmotor,
ebenso wie bei diesem kann der Winkel a Werte bis zu etwa 15o° nach beiden Seiten
aus der Leerlaufstellung annehmen, der Winkel u = i8o° würde der Kurzschlußstellung
beim. Drehstrom-Reihenschlußmotor entsprechen. Beim Einphasen-Reihenschlußmotor
üblicher Bauart mit Stromwende- und Kompensationswicklung ist der Winkel zwischen
Ständer-und Läuferwicklungsachse fest gegeben. Er beträgt zwischen Erreger- und
Läuferwicklung 9o° und zwischen Kompensations- und Läuferwicklung i8o°. Die Drehzahlregelung
muß daher durch Regelung der zugeführten Spannung erfolgen. Im Gegensatz dazu braucht
jedoch hier die Spannung nicht geregelt zu werden. Die Regelung vollzieht sich vielmehr
lediglich durch die Änderung des Winkels a, was einer Änderung der wirksamen Windungszahl
für die speisende Spannung gleichkommt, wie das beim Drehstrom-Reihenschlußmotor
auch der Fall ist. Während jedoch bei diesem der Winkel a nur durch die Bürstenstellung
gegeben und unabhängig von der Belastung und der Polradstellung ist, kann sich der
Winkel a hier wie bei einer Synchronmaschine frei einstellen, wodurch unerwünschte
Selbsterregungserscheinungen beim Übergang auf generatorischen Betrieb gar nicht
auftreten können.
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Der Zwischenumspanner i9 könnte auch wegfallen, doch müßte dann der
Läuferstromkreis ebenfalls für Hochspannung ausgeführt werden, was mit Rücksicht
auf Betriebssicherheit nicht angebracht ist.
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Die Erfindung ermöglicht den Bau von Bahnmotoren größter Leistung
und Ausnutzung, die von den Beschränkungen der bisher üblichen Bauarten frei sind.
Weder Stromwender noch Bürsten noch die EMK der Ruhe setzen eine vorzeitige Grenze.
Unmittelbarer Hochspannungsanschluß und selbsttätiger Übergang zur Nutzbremsung
bis zum Stillstand sind sehr erwünschte Eigenschaften, die sich mit den bisherigen
Lösungen gar nicht oder nur unvollkommen erreichen ließen. Ein Nachteil wäre nur
noch darin zu erblicken, daß die Fahrmotoren nicht ihre eigene Blindleistung decken
können. Man kann diese jedoch, ähnlich wie bei Einphasen-Reihenschlußmotoren, klein
halten, indem man mit kleinen Flüssen, hohen übersynchronen Drehzahlen und hohen
Strombelägen arbeitet. Man kann die Fahrmotoren jedoch, wie es für andere Zwecke
schon geschehen ist, mit einem leer laufenden Zwischenläufer versehen, der mit Gleichstrom
erregt wird und die Blindleistung deckt.