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Antriebsanordnung für elektrische Lokomotiven, deren Fahrmotoren ihre
Energie entweder von der Fahrleitung oder von einer auf dem Fahrzeug mitgeführten
Kraftquelle, z. B. Dieselmotor mit Hauptgenerator, erhalten Die zum Antrieb von
Fahrzeugen allgemein verwendeten Reihenschlußmotoren haben die Eigenschaft, daß
bei Speisung mit konstanter Spannung ihre Stromaufnahme mit zunehmender Geschwindigkeit
abnimmt. In demselben Maß sinkt auch die Leistung der Reihenschlußmotoren. Soll
aber eine bestimmte Leistung über einen größeren Geschwindigkeitsbereich konstantgehalten
werden, so muß mit zunehmender Geschwindigkeit entweder die Spannung am Motoranker
erhöht oder das Motorfeld geschwächt werden. Bei Speisung der Motoren aus einer
Fahrleitung oder einer Akkumulatorenbatterie ist der erste Weg nicht gangbar. Bei
Speisung aus einem auf dem Fahrzeug befindlichen Generator, der beispielsweise von
einem Dieselmotor angetrieben wird, ist eine Erhöhung der Ankerspannung zwar grundsätzlich
möglich, bedingt aber die Verwendung eines entsprechend größeren Generators.
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In der Praxis wird daher meist von der Feldschwächung Gebrauch gemacht.
Sie erfolgt fast stets in mehreren Stufen, wodurch gewissermaßen eine entsprechende
Anzahl von Reihenschlußcharakteristiken eingestellt wird, von denen jeweils die
für den augenblicklichen Betrieb günstigste ausgewählt werden muß. Die Auswahl der
richtigen
Erregungs- bzw. Feldschwächungsstufe erfordert jedoch besondere Aufmerksamkeit,
wenn sie von Hand vorgenommen wird, oder es werden bei selbsttätiger Feldregelung
empfindliche Relais benötigt.
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Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für elektrische Lokomotiven,
deren Fahrmotoren ihre Energie unmittelbar entweder von der Fahrleitung oder von
einer auf dem Fahrzeug mitgeführten Kraftquelle, z. B. Dieselmotor mit Hauptgenerator,
d. h. von einer Quelle konstanter Spannung erhalten. Die geschilderten Schwierigkeiten
werden erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß der Antrieb der einzelnen Achsen mittels
Konstantstrommotoren in der Metadynebauart erfolgt. Bei einem derartigen Antrieb
wird von der Fahrleitung bzw. vom Hauptgenerator eine im wesentlichen konstante
Spannung zur Verfügung gestellt, wenn man von den betrieblichen Schwankungen absieht.
Der Fahrmotor in der Metadynebauart hat den Vorzug, daß er den aufgenommenen Strom
durch Selbstregelung konstant hält, so daß durch das Zusammenwirken beider Einflüsse
eine von der Fahrgeschwindigkeit unabhängige konstante Leistung erzwungen wird.
Dieser Umstand ist für den Bahnbetrieb mit ständig wechselnden Fahrgeschwindigkeiten
und wegen der bei Steigungen stets wechselnden Belastung von erheblicher Bedeutung.
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Zwar ist für eine Bahnausrüstung bereits eine Anordnung bekannt, bei
der zum Antrieb der einzelnen Achsen normale Gleichstromreihenschlußmotoren verwendet
werden, die über eine auf dem Fahrzeug angeordnete, als Umformer wirkende Metadyne
aus der Fahrleitung gespeist werden. Dabei fällt der Metadyne die Aufgabe zu, bei
konstanter Netzspannung die Fahrmotoren mit konstantem Strom zu speisen. Anker und
Feld der Reihenschlußmotoren sind als Belastung in den Sekundärkreis der Umformer-Metadyne
geschaltet, und die Sekundärspannung der Metadyne ändert sich mit der Gegen-EMK
der Fahrmotoren, so daß diese mit konstantem Strom gespeist werden. Die Zwischenschaltung
des Umformers bei der bekannten Anordnung bedingt aber ein erhebliches zusätzliches
Gewicht, das bei der erfindungsgemäßen Anordnung nicht notwendig ist. Der als Metadyne
ausgebildete Fahrmotor hält von sich aus seine Stromaufnahme bei konstanter Klemmenspannung
auf der gewünschten Höhe, während einem Reihenschlußmotor zu diesem Zweck eine dem
jeweiligen Bewegungswiderstand angepaßte Spannung zugeführt werden muß. Der Metadyne-Fahrmotor
schwächt seinen Arbeitskraftflut weitgehend selbst und kann dadurch ohne Erhöhung
der Spannung auch bei hohen Drehzahlen eine große Leistung umsetzen. Von Vorteil
ist dabei auch, daß die Kennlinie der Metadyne-Motoren nicht mehr abfällt und der
Strom nicht absinkt, so daß die betrieblichen Anforderungen in vollkommener Weise
erfüllt werden. Die Erfindung ist dabei nicht nur auf solche Fahrzeuge anwendbar,
deren Fahrmotoren von einem Hauptgenerator mit Dieselantrieb gespeist werden, sondern
auch auf Fahrzeuge, deren Motoren direkt von der Fahrleitung gespeist werden.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch
dargestellt, und zwar zeigt Fig. i ein Schema des Konstantstrommotors, Fig.2 ein
Prinzipschema der Gesamtschaltung. In Fig. i ist der Motor mit einer vierpoligen
Wellenwicklung versehen. Der Ständer ist, schematisch gezeichnet, vierpolig. Der
Querschnitt des Joches ist in jenen Teilen, welche den Arbeitskraftflut 01 führen,
ebenso stark wie bei einem Reihenschlußmotor. In den übrigen Pollücken führt das
Joch jedoch nur die Differenz zwischen dem Regulierflut 02 und dem Wendepolfluß
O w. der Arbeitsachse -I-2. Der Jochquerschnitt. braucht hier nur rund 2o0/o zu
betragen.
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Sowohl in der Arbeitsachse -I-2 als auch in der Kurzschlußachse -1-i
sind Wendepole angeordnet. Die Windungszahlen und Leiterquerschnitte sind in beiden
Achsen gleich. Die Wendepole in der Kurzschlußachse -I-i sind auf diese Weise thermisch
nicht voll ausgenutzt. Der Querschnitt wird aber zweckmäßig so hoch gewählt, um
den Widerstand des Kurzschlußkreises möglichst niedrig zu halten und dadurch schon
bei kleinen Drehzahlen einen starken Strom 11 zu erzielen.
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Die Hauptpole tragen mehrere Feldwicklungen, die im folgenden besprochen
werden: Das fremderregte Grundfeld J, K0 wirkt in Richtung der Arbeitsachse
-I-a. Die TO Kö Feldwicklungen sämtlicher vier Metadynen liegen in Reihe, und zwar
beim Fahren an der Spannung des Hilfsgenerators, beim Bremsen an einer besonderen
Achsdynamo; die Erregung des Grundfeldes wird beim Fahren nicht geregelt. Sie ist
auf allen Fahrstufen so gewählt, daß sich ein Beharrungsstrom von angenähert 851/o
des Dauerstromes ergibt. Dadurch erhält man eine gewisse Reserve für Anfahrten und
Steigungsfahrten mit kleinen Geschwindigkeiten.
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Die Verstärkerfeldwicklung F.F1 wird vom Kurzschlußstrom
11 durchflossen und wirkt in Richtung der Kurzschlußaehse +i, also in Richtung
des Ankerfeldes, und verstärkt die magnetisierende Wirkung des Ankers in dieser
Richtung. Sie ist, ebenso wie die Wendepole des Kurzschlußkreises, thermisch nicht
voll ausgenutzt, um den Widerstand niedrig zu halten. Um einen einfachen Fahrtrichtungswender
zu bekommen, wurde darauf verzichtet, dem vom Kurzschlußstrom J1 erzeugten Feld
eine Komponente in Richtung der Arbeitsachse -h2 zu geben. Um schädliche Überströme
im Kurzschlußkreis bei Unterbrechung des Arbeitsstromes J2 zu vermeiden, wird in
jedem Kurzschlußkreis ein Überstromrelais eingebaut.
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Die Reihenschlußfeldwicklung E2 F2 wird vom Arbeitsstrom 12 durchflossen
und bewirkt die Erregung der Metadynen im Stillstand und bei kleinen Geschwindigkeiten,
bei welchen die Erregung durch den Kurzschlußstrom noch nicht genügend zur Wirkung
kommt.
Die räumliche Lage der Kraftflüsse, Ströme, Wicklungen usw.
ist aus Fig. i ersichtlich. Dieser Darstellung und allen weiteren Überlegungen ist
immer der Kraftfluß eines Teilpoles zugrunde gelegt. Man erkennt, daß von den beiden
Teilpolen stets einer vom Kraftfluß OX = 01 + 02, der andere vom Kraftfluß OY 01
02 durchflossen ist.
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In Fig.2 bezeichnet i den Dieselmotor, der einen Hauptgenerator 2
und einen Hilfsgenerator 3 antreibt. Der Hauptgenerator 2 besitzt mehrere Feldwicklungen,
und zwar eine Reihenschlußerregung EF, eine Hilfsfeldwicklung E", eine selbsterregte
Nebenschlußwicklung CD sowie eine besondere Erregung JK, von der im folgenden
noch gesprochen wird. 4 ist ein konstanter Vorwiderstand vor der Nebenschlußwicklung
CD, 5 der Kontakt eines Generatorfeldschützes. Mit 6 ist ein Feldregler,
vorzugsweise ein Servafeldregler, mit 7 ein Spannungsregler bezeichnet. 8 ist eine
Batterie, 9 ein Strombegrenzungswiderstand, io ein Anlaßschütz und i i ein Generatortrennschütz.
Zur Ladung der Batterie sind ein Ladeautomat 12 sowie ein Ladewiderstand 13 vorgesehen.
Es sind vier Fahrmotoren 14 vorgesehen, die gemäß den vorstehenden Ausführungen
als Konstantstrommotoren (Metadynen) ausgeführt sind. 15 bezeichnet einen Fahrtbremswender,
16 einen Fahrtrichtungswender. Mit 17 ist ein Motorfeldschütz, mit i9 eine Achsdynamo
für die Bremsung bezeichnet. 18, 20, 21 und 22 sind Widerstände, von denen der Widerstand
21 regelbar ist. 23 ist der Kontakt eines nicht dargestellten Überstromrelais, das
an der Ankerspannung zwischen den Klemmen Al, Hl angeschlossen ist.
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Die Schaltung von Hauptgenerator 2 und Hilfsgenerator 3 ist dieselbe
wie bei der normalen Kraftübertragung mit Reihenschlußmotoren. Der Dieselmotor i
treibt die Anker des Hauptgenerators 2 und des Hilfsgenerators 3 an. Das selbsterregte
Feld CD des Hauptgenerators 2 liegt über dem unveränderlichen Vorwiderstand
4 ständig an dessen Klemmen H und E. Die Feldwicklung JK des Hauptgenerators 2 ist
über den Kontakt 5 des Generatorfeldschützes und den regelbaren Widerstand des Servofeldreglers
6 an die Spannung des Hilfsgenerators 3 gelegt. Der Servofeldregler 6 wird vom Brennstoffgestänge
des Dieselmotors i so beeinflußt, daß er das Drehmoment an der Dieselwelle auf konstanter
Höhe hält. Die Spannung des Hilfsgenerators wird durch den Spannungsregler 7 unabhängig
von Drehzahl und Belastung konstant, z. B. auf 135 V, gehalten.
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Zum Starten des Dieselmotors i dient die Batterie 8, welche einerseits
über den Strombegrenzungswiderstand 9 und das Anlaßschütz io an die Klemme E" und
andererseits an die Klemme H des Hauptgenerators 2 gelegt wird. Hierbei muß das
Generatortrenns-chütz i i geöffnet, die Verbindung zu den Fahrmotoren 14, in diesem
Falle den Metadynen, also unterbrochen sein. Die Batterie wird über den Ladeautomaten
12 und den Ladewiderstand 13 vom Hilfsgenerator aufgeladen.
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Die Metadynen 14 liegen mit ihren Klemmen H2 ständig an der gemeinsamen
Minusleitung, mithin auch an der Minusklemme H des Hauptgenerators 2. Mit den Klemmen
A2 liegen die Metadynen über je ein besonderes nicht näher bezeichnetes Kontaktpaar
des Fahrtbremswenders r5 in dessen Fahrstellung an je einem Punkt des Fahrtrichtungswenders
16. Dieser liegt mit seinem anderen Pol über das Generatorschütz i i an der Klemme
E des Hauptgenerators 2. Je nach gewählter Fahrtrichtung werden die Reihenschlußfeldwicklungen
in Richtung E2 F2 oder in Richtung F2 E2 durchflossen.
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Die Leistungsabschaltung erfolgt nur durch Öffnen des Kontaktes 5
des Generatorfeldschützes 5 ; im Arbeitsstromkreis sind dadurch keine Geräte zur
Leistungsunterbrechung erforderlich, abgesehen von den weiter unten erwähnten Motorschmelzsicherungen
25. Das Trennschütz i i schaltet nur bei geöffnetem Kontakt 5 des Generatorfeldschützes
und geöffnetem Motorfeldschütz 17, also leistungslos.
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Die Grundfelder J. K. aller vier Metadynen liegen in Reihe und über
das Motorfeldschütz 17 und den Einstellwiderstand 18 an der Spannung des Hilfsgenerators
3. Alle Fahrmotoren 14 sind mit Fremd- oder im Nebenschluß erregten Feldwicklungen
JO KO versehen, die entweder von der Spannung des Hilfsgenerators oder von einer
anderen Quelle konstanter Spannung, z. B. von der Fahrleitung, gespeist werden.
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Für die elektrische Bremsung ist eine Achsdynamo i9 vorgesehen. Auf
der Stellung »Leerlauf« werden die Grundfelder JOKo durch Öffnen des Motorfeldschützes
17 vom Hilfsgenerator 3 getrennt und beim Übergang auf Bremsen über ein Kontaktpaar
15 a am Fahrtbremswender 15 und den Widerstand 2o an die Spannung der Achsdynamo
i9 gelegt. Vor dem Einschalten der Kontakte 15 a sind schon durch Umschalten des
Fahrtbremswenders 15 die Klemmen A2 vom Fahrtrichtungswender 16 getrennt und auf
die Bremswiderstände 22 umgelegt worden. Durch ein weiteres Kontaktpaar 15 b des
Fahrtbremswenders 15 wird das Feld der Achsdynamo über den Regelwiderstand 2i an
die Batterie 8 gelegt. Die Bremsung ist also unabhängig davon, ob der Dieselmotor
läuft oder nicht, betriebsfähig. Die Einstellung der Bremsstufen erfolgt durch Regelung
des Widerstandes 2i.
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Zum Belüften der Fahrmotoren, d. h. Metadynen, dienen nicht dargestellte
Lüftersätze, welche über Trennsicherungen zweckmäßig an den Klemmen des Hilfsgenerators
3 liegen. Zweckmäßig wird der Bremswiderstand 22 auch noch in deren Luftstrom gelegt.
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Zum Schutz der Kurzschlußkreise gegen schädliche Überströme dienen
die Überstromrelais, von
denen nur die Kontakte 23 gezeichnet sind.
Der äußere Arbeitskreis, der den Fahrtwender 16 und den Bremswiderstand 22 enthält,
wird durch Schmelzsicherungen 25 geschützt.
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Bei Oberleitungsfahrzeugen muß das Grundfeld 1.K. möglichst feinstufig
zwischen einem positiven und einem negativen Maximum geregelt werden. Dabei bedeutet
der Übergang von der positiven zur negativen Erregung den Übergang vom Fahren zum
Bremsen.