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Schaltanordnung für die Steuerung von elektrischen Fahrzeugen Es ist
bekannt, Wechselstrom-Kollektormotoren durch stufenweise Änderung der von Transformatorwicklungen
abgegriffenen Spannungen praktisch verlustlos zu regeln. Für Stufentransformatoren
für die Speisung der Motoren elektrischer Lokomotiven ist es weiter bekannt, zwischen
einer Haupt- und einer Hilfsbürste, die vorübergehend gleichzeitig an verschiedene
Anzapfungen angeschlossen werden, eine Widerstandsverbindung zu legen, die den Ausgleichstrom
begrenzt. Weiterhin ist es bekannt, für Fahrzeugmotoren Wechselstrom über Lichtbogengleichrichter
gleichzurichten und den Kollektormotoren zuzuführen, wobei eine Regelung entweder
durch Veränderung der Wechselspannung oder des Phasenwinkels der Gittersteuerung
durchgeführt werden kann. Es sind auch bereits Vorschläge bekanntgeworden, die dahin
gehen, für Wickelmaschinen, Werkzeugmaschinen, Textilveredelungsmaschinen und ähnliche
Maschinen eine Schaltungsanordnung zu verwenden, bei der Sperrschichtgleichrichter
fest mit den Teilspannungen verschiedener Umspannerwicklungen verbunden sind und
die Steuerung gleichspannungsseitig erfolgt. Diese Schaltungsanordnung hat den Vorteil,
daß die Ausnutzung der Sperrschichtgleichrichter und damit der Wirkungsgrad beim
Anfahren mit -geringer Teilspannung günstiger wird.
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In der Form von Trockengleichrichtern hat man Sperrschichtgleichrichter
mit Rücksicht auf ihre hohe mechanische Festigkeit auch schon für die Verwendung
auf Fahrzeugen empfohlen, wo für
Anwendungszwecke kleinerer Leistung
vielfach Bedarf nach Gleichstrom besteht.
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Für Anwendungsfälle, wie z. B. Batterieladung, ist weiter bereits
eine Anordnung bekanntgeworden, bei der ein Transformator mit einer größeren Anzahl
von voneinander unabhängigen Sekundärwicklungen ausgeführt ist, von denen jede über
vier Trockengleichrichter in Graetz-Schaltung Gleichstrom abgibt. Man erhält auf
diese Weise beispielsweise vier voneinander unabhängige Gleichstromquellen, von
denen mit Hilfe eines Schalthebels eine der jeweils benötigten Spannung entsprechende
Anzahl hintereinander an die Batterie angeschlossen werden kann.
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Nach der Erfindung wird eine Schaltung zur günstigen Verwendung von
Sperrschichtgleichrichtern für Speisung und Steuerung der Kollektormotoren von elektrischen
Fahrzeugen unter Verwendung von in Gruppen unterteilten Sperrschichtgleichrichtern
vorgeschlagen. Sie besteht darin, daß die einzelnen Gruppen der Sperrschichtgleichrichter
über ohne Stromunterbrechung arbeitende Umschalter mit einander zeitlich sich überlappenden
Kontakten an Sekundäranschlüsse des Umspanners gleichsinnig wahlweise derart angeschlossen
werden, daß bei Überbrückung der mit nebeneinanderliegenden Sekundäranschlüssen
verbundenen Gleichrichtergruppen ein Kurzschlußstrom durch die Stufenkontakte verhindert
ist.
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Mit besonderem Vorteil werden hierbei den einzelnen Gleichrichtergruppen
mehrere untereinander in Reihe liegende Sperrzellen zugeordnet, deren Zahl entsprechend
der von der zugeordneten Transformatoranzapfung abzugebenden Spannung verschieden
hoch gewählt ist. Die Umschaltung wird zweckmäßig in wenigstens zwei die Halbwellen
führenden Stromzweigen versetzt durchgeführt.
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In den Fig. i und 3 sind Ausführungsbeispiele dargestellt. Hierbei
sind einphasige Schaltungen zugrunde gelegt. Es ist jedoch möglich, diese Schaltungen
auch mehrphasig auszuführen. In Fig. i ist mit 214 der Fahrdraht bezeichnet, mit
215 die Schiene, auf der das Fahrzeug läuft. Diese beiden Teile stellen also die
Speiseleitungen für das Fahrzeug dar, mit deren Hilfe ihm Einphasenwechselstrom
zugeführt wird. An diese beiden Zuführungen ist ein Transformator 213 angeschlossen,
der hier in der Form des Spartransformators angedeutet ist, also aus einem oberen
Hochspannungsteil und einem unteren, an diesen unmittelbar angeschlossenen, mit
Anzapfungen versehenen Teil besteht. Die Anzapfungen sind hierbei symmetrisch durchgeführt,
wobei der zu speisende Kollektormotor 2i6 jeweils an Paare von Anzapfungen angeschlossen
wird, die symmetrisch zu einem Mittelpunkt des Niederspannungsteiles liegen. Von
den Anzapfungen sind über Sperrgleichrichter toi bis 2i2 Verbindungsleitungen zu
den Kontaktlamellen 22i bis 232 geführt. Diese Lamellen werden von Bürsten 217 und
2i8 bestrichen, die hierbei je zwei gegenüberliegende Lamellen (22i und 222 bzw.
223 und 224 usw.) miteinander und zugleich mit dem Motor 216 verbinden. Die Kontaktlamellen
sind hierbei, wie dies aus der Zeichnung zu entnehmen ist, mit verschiedener Länge
sowie etwas gegeneinander versetzt angeordnet.
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Beim Anfahren wird zunächst ein Schalter 2r9 geschlossen und dadurch
der Motor zwischen den beiden mittleren Anzapfungen angeschlossen, wobei ihm über
die dadurch in Graetz-Schaltung gelegten Sperrgleichrichterzellen aoi, 2o2, 203,
2o4 Gleichspannung zugeführt wird. Die Kurvenform dieser Spannung ist in Fig. 2
dargestellt, und zwar sind in den Kurvenzügen jeweils die Nummern der beteiligten
Gleichrichter eingetragen. Beim Weiterschalten des Fahrschalters werden die Bürsten
in Pfeilrichtung von innen nach außen bewegt. Dadurch erfaßt die Bürste 218 zunächst
neben der Kontaktlamelle 22z noch die Kontaktlamelle las und wechselt sodann von
der - Kontaktlamelle 222 auf die Kontaktlamelle 226 über, worauf dann die Bürste
217 zuerst von der Kontaktlamelle 223 auf die Lamelle 227 und dann von der Lamelle
224 auf die Lamelle 228 überwechselt. Auf diese Weise erhält man unterbrechungslos
und allmählich einen Übergang auf die höhere Spannung, die durch das nächste Anzapfungspaar
über die Gleichrichter205, 2o6, 2,07 und 2o8 geliefert wird, wobei diese
Gleichrichter entsprechend der höheren Betriebsspannung mit einer größeren Anzahl
von in Reihe liegenden Zellen ausgeführt sind. Dasselbe wiederholt sich beim Übergang
auf die nächste Schaltstufe, die von dem nächsten, weiter außen liegenden Anzapfungspaar
über die Gleichrichter Zog, 210, 211 und 212 Gleichstrom erhält, wobei hier die
Zahl der in den einzelnen Gleichrichtern in Reihe liegenden Zellen entsprechend
der Spannung weiter erhöht ist. Es kann mit einer beliebigen Anzahl von weiteren
Anzapfungen in analoger Weise auch eine Schaltung für eine größere Anzahl von Spannungsstufen
ausgeführt werden.
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Die Verwendung von Sperrschichtgleichrichtern für Bahnmotoren hat
gegenüber den bisher für solche ausschließlich zur Gleichrichtung verwendeten Entladungsgefäßen
den Vorteil, daß auch bei dem rauhen Bahnbetrieb keine Störungen auftreten können.
Die Sperrschichtgleichrichter bedürfen praktisch keiner Wartung und können daher
auch an schwer zugänglichen Orten auf dem Fahrzeug untergebracht werden. Die erforderliche
hohe Zahl der Sperrschichtgleichrichter wird durch das wesentlich geringere Gewicht
mindestens annähernd ausgeglichen. Hinzu kommen die gerade für den Bahnbetrieb erheblichen
Vorteile der Sperrschichtgleichrichter gegenüber den Entladungsgefäßen, die in der
Unempfindlichkeit gegen tiefe Temperaturen, der ständigen Betriebsbereitschaft,
dem geringeren Strömungswiderstand im Kühlluftstrom und der guten Raumanpassungsfähigkeit
bestehen. Man hat es daher in der Hand, durch zweckentsprechende Unterteilung der
Gleichrichtersäulen eine nahezu volle Ausnutzung der Belastungsfähigkeit der stromführenden
Elemente der Gleichrichtersäulen in allen Betriebszuständen zu erreichen, und zwar
insbesondere auch durch Anschluß an verschieden hohe, z. B. in der Anfangsstufe
höher bemessene
Teilspannungen der Umspannerwicklung. Die Ausnutzung
der Sperrschichtgleichrichter wird noch verbessert, wenn die den Anfahrstrom führenden
Elemente durch Flächenvergrößerung oder Parallelschaltung stärker und die geringer
belasteten Elemente schwächer bemessen werden. Derartige Auslegungen sind gerade
für Fahrzeugmotoren von besonderer Bedeutung.
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Die Schaltung nach Fig. i weist die Vorteile der Vermeidung von Schalt-Vorwiderständen,
der feinstufigen Regelung und der guten Ausnutzung der Gleichrichter auf. Dagegen
steht nur der Nachteil, daß nicht alle vorhandenen Säulen bei voller Spannung in
Betrieb sind.
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Den letztgenannten Nachteil vermeidet die Schaltung nach Fig. 3. Hier
ist mit 331 die Primärwicklung eines Umspanners und mit 332 die mit Nullklemme und
mit nicht näher bezeichneten Anzapfungen versehene Sekundärwicklung desselben bezeichnet.
Wegen der Symmetrie der Nullpunktschaltung sei nur deren eine Hälfte beschrieben.
Die nicht näher bezeichneten Wicklungsanzapfungen sind mit den Kontakten 32q., 325
und 326 verbunden. Diesen stehen jeweils die Kontaktpaare 317/31$, 319/32o, 32I/322
gegenüber, von denen die ungeradzahligen Kontakte, unter sich verbunden, an die
Gleichrichtersäule 305/303!30i anodenseitig angeschlossen sind. Entsprechend sind
die geradzahligen Kontakte an die Gleichrichtersäule 3o6/3o4/3o2 angeschlossen.
Die Kathodenseiten der Ventile 3o6 bis 301 sind der Nummernfolge nach mit
den Kontakten 316 bis 311 verbunden, denen eine gemeinsame Kontaktbahn 323
gegenübersteht. In der untersten (d. h. der Anfahr-) Stellung ist der Kontakt 326
über die Einzelbürsten 327 und 328 mit den Kontakten 322 und 321 verbunden, während
die Kontakte 316 und 315 über einen Bürstenblock 307 mit der Kontaktbahn
323 in Verbindung stehen. Die Einzelbürsten 327 und 328 und der Bürstenblock
307 sind miteinander starr gekuppelt. In der gezeichneten Stellung sind die
Gleichrichter 3o6 und 305 zueinander parallel geschaltet und führen der Kontaktbahn
323 die kleinste positive Spannungshalbwelle zu.
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Die Höherregelung der gleichgerichteten Spannung geschieht in der
Weise, daß die Bürsten unmittelbar bis zur nächsten Ruhestellung, nämlich auf die
Kontakte 320/3I9 bzw. 314/3I3, gebracht werden.
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Vorübergehend entsteht dabei eine Unterbrechung erst der geradzahligen
Kontakte und Gleichrichter, dann der ungeradzahligen, bis die höhere Wechselspannung
vom Kontakt 325 beiden Gleichrichtersäulen 3o6/304. bzw. 305/303 zugeführt wird.
Es tritt also keine Unterbrechung der abgegebenen Gleichspannung ein, weil stets
ein Teil der Gleichrichter in Betrieb bleibt, dessen kurzzeitige Überlastung nicht
ins Gewicht fällt. Eine Funkenbildung an den Einzelbürsten 3z7 und 328 kann durch
die Schütze 309 und 3o8 verhindert werden, wenn diese im Augenblick der Trennung
der zugehörigen Kontakte '(321/31c9/317 bzw. 322/32o/318) von den ablaufenden Bürsten
kurzzeitig geöffnet werden. In dieser Weise wird die ganze Kontaktbahn durchschritten.
Die andere Hälfte der gesamten an die Sekundärwicklung 33a angeschlossenen Schaltung
arbeitet ganz analog und liefert die zweite positive Halbwelle der Wechselstromperiode.
Auch hier kann durch abwechselnden Vorschub der Bürstensysteme in Pfeilrichtung,
wie in Fig. 3 angedeutet, eine Verdoppelung, also Verfeinerung der Regelstufen ähnlich
dem in Fig. 2 dargestellten Verlauf erzielt werden. Entsprechend der Höhe der Anfahrströme
sind die Gleichrichterelemente teilweise durch Parallelschaltung verstärkt angegeben.
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Die Schaltung nach Fig. 3 vereinigt.die Vorteile der günstigen Gleichrichterbemessung,
des Überschaltens ohne Dämpfungswiderstand; der vergrößerten Stufenzahl und der
vollen Inanspruchnahme aller in ihr enthaltenen Gleichrichterelemente in der höchsten
Spannungsstufe, wodurch im ganzen Regelbereich der bestmögliche Wirkungsgrad erzielt
wird.