Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den in den Oberbegrif
fen der Ansprüche 1 und 6 angegebenen Gattungen.
Bei Linearmotoren für Magnetfahrzeuge, insbesondere bei synchronen Langstator-
Linearmotoren für Magnetschwebefahrzeuge, wird die Statorwicklung gewöhnlich in viele
kurze, z. B. nur ca. 1,2 km lange und in Fahrtrichtung unmittelbar hintereinander liegende
Wicklungsabschnitte unterteilt, die jeweils durch Wechselstellen elektrisch voneinander
getrennt sind. Parallel zum Fahrweg ist außerdem ein vergleichsweise langes, z. B. ca.
40 km langes Streckenkabel verlegt, das an ein sogenanntes Unterwerk angeschlossen ist,
in dem die zur Stromversorgung der Statorwicklung erforderlichen Umrichter od. dgl.
installiert sind. Zur Begrenzung des Energieverbrauchs wird dabei immer nur derjenige
Wicklungsabschnitt, in dem sich das Fahrzeug gerade befindet, mit Strom versorgt, indem
die einzelnen Wicklungsabschnitte mit Hilfe von Schalteinrichtungen entsprechend der
Fortbewegung des Fahrzeugs einzeln und nacheinander mit dem Streckenkabel verbunden
werden.
Ein Problem dieser als Kurzschlußverfahren bekannten Steuerung der für die Geschwin
digkeit des Fahrzeugs maßgeblichen Stromzufuhr besteht darin, daß beim Überfahren einer
Wechselstelle immer nur einer der beiden an diese angrenzenden Wicklungsabschnitte an
das Streckenkabel angeschlossen werden darf, da der Stromfluß in die Wicklungsabschnit
te nicht mehr kontrolliert werden kann und das Fahrzeug den Strom in einer Weise
einprägt, die einem Wicklungskurzschluß entspricht. Als Folge davon ist mit jedem
Abschnittswechsel zeitweilig eine Änderung der aktiven Fahrzeuglänge und damit eine
Reduzierung der Schubkraft verbunden, die mindestens 50% beträgt und den Fahrkom
fort beeinträchtigt.
Zur Vermeidung derartiger Schubkrafteinbrüche sind bereits zahlreiche Verfahren und
Vorrichtungen vorgeschlagen worden (z. B. Sonderdruck aus etz Bd. 108, 1987, Heft 9,
Seiten 1-24, DE 39 17 058 A1), die unter Schlagworten wie "Bocksprungverfahren",
"Wechselschrittverfahren", "Doppelspeisung", "ortsabhängige Stromaufteilung" od. dgl.
bekannt sind. Allen diesen Verfahren und Vorrichtungen ist jedoch gemeinsam, daß beim
Passieren einer Wechselstelle entweder nur dem einen oder nur dem anderen beteiligten
Wicklungsabschnitt Strom zugeführt wird und daher immer nur ein Teil des Fahrzeug
motors aktiv ist. Aufgrund dieser Abhängigkeit des aktiven Teils des Fahrzeugmotors von
der Fahrzeugposition im Bereich der Wechselstellen können Schubkrafteinbrüche bisher
nur dadurch vermieden werden, daß entweder die in den Unterwerken installierten
Leistungen überdimensioniert werden, um den erhöhten Bedarf beim Passieren einer
Wechselstelle zu decken, oder getrennte, wenigstens zwei Streckenkabel aufweisende
Einspeisungssysteme vorgesehen werden.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren und die Vor
richtung der eingangs bezeichneten Gattungen dahingehend abzuändern, daß im Bereich
der Wechselstellen stets der gesamte Fahrzeugmotor aktiv bleibt und neue Möglichkeiten
geschaffen werden, um Statorabschnittswechsel zu realisieren, die von Schubkraftein
brüchen weitgehend frei sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1
und 6.
Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß die beiden an einer Wechselstelle beteilig
ten Wicklungsabschnitte während der Abschnittswechsel stets in Reihenschaltung ver
bunden und von demselben Strom durchflossen sind. Daher ist einerseits die Position des
Fahrzeugs relativ zu den Wechselstellen praktisch ohne Bedeutung, andererseits ergeben
sich zahlreiche neue Möglichkeiten der Stromzufuhr beim Passieren einer Wechselstelle.
Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen am
Ausführungsbeispiel einer Magnetschwebebahn mit einem Langstator-Linearmotor näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch ein Magnetschwebefahrzeug und dessen
Fahrweg;
Fig. 2 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben eines Magnet
schwebefahrzeugs; und
Fig. 3 bis 8 grob schematisch die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
anhand mehrerer Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Bei einer Magnetschwebebahn mit synchronem Langstator (Fig. 1) ist ein Statorblechpaket
1 ortsfest mit einem längs einer vorgegebenen Trasse errichteten Fahrweg 2 verbunden. In
die Nuten des Statorblechpakets 1 ist eine Langstatorwicklung 3 in Form einer Dreh
stromwicklung eingelegt, die von einem Umrichter mit Drehstrom variabler Amplitude
und Frequenz gespeist wird, wodurch sich in bekannter Weise eine fortschreitende
Strombelagswelle längs des Langstatormotors ausbildet. Das Erregerfeld der Langstator-
Synchronmaschine wird durch Tragmagnete 4 erzeugt, die mit einem längs des Fahrwegs
bewegten, in Fig. 1 nur schematisch angedeuteten Fahrzeug 5 verbunden sind und aus je
einem Magnetkern 6 und einer Erregerwicklung 7 bestehen. Neben der Funktion des
magnetischen Tragens stellen die Tragmagnete 4 gleichzeitig das Erregerfeld der Syn
chronmaschine bereit. In der Regel ist auf beiden Seiten des Fahrwegs 2 je ein Stator
blechpaket 1 mit der zugehörigen, normalerweise dreiphasigen Langstatorwicklung 3 und
und jeweils eine Mehrzahl von Tragmagneten 4 vorgesehen.
Zur Ausbildung der gewünschten Vortriebskraft ist es erforderlich, daß die Fahrzeug
geschwindigkeit synchron zur Ausbreitungsgeschwindigkeit der Strombelagswelle ist. Die
maximale Vortriebs- bzw. Schubkraft ergibt sich bei vorgegebener Amplitude der
Grundschwingungs-Wandlerwelle, wenn eine optimale relative Lage des Fahrzeug-
Erregerfeldes zur Wandlerwelle eingehalten wird, was bei einem Synchron-Drehstrommo
tor der Einhaltung des optimalen Polradwinkels entsprechen würde. Dies wird durch
Frequenzregelung des Wechselrichters erreicht, wobei die momentane Fahrzeuggeschwin
digkeit und die relative Lage der Tragmagnete 4 z. B. zur Phase R der Langstatorwicklung
3 als Bezugsgrößen verwendet werden.
Zur Minimierung des Bedarfs an Blindleistung und Spannung des Langstatormotors wird
jeweils nur dasjenige Teilstück der Langstatorwicklung 3 aktiviert (Fig. 2), das gerade von
dem z. B. in Richtung des Fahrwegs (Pfeil x) bewegten Fahrzeug 5 befahren wird. Hierzu
ist die Langstatorwicklung 3, wie Fig. 2 nur schematisch zeigt, in eine Vielzahl von in
Längsrichtung des Fahrwegs unmittelbar aufeinanderfolgenden Wicklungsabschnitten 3.1
bis 3.9 unterteilt, die über je eine zugeordnete Schalteinrichtung 8 an ein Streckenkabel 9
angeschlossen werden können. In Fig. 2 trifft dies gerade für den Wicklungsabschnitt 3.4
zu. Die Enden des Streckenkabels 9 sind an je ein Unterwerk 10A bzw. 10B angeschlos
sen (Doppelspeisung), in denen die zur Einspeisung des Stroms in die Wicklungsabschnitte
3.1 bis 3.9 erforderlichen Einrichtungen, insbesondere Umrichter od. dgl. installiert sind.
Die Unterwerke 10A, B können mittels weiterer Schalteinrichtungen 11 an je ein weiteres
längs des Fahrwegs verlegtes Streckenkabel 12 bzw. 13 angeschlossen werden, wenn das
Fahrzeug 5 noch nicht in den von den Unterwerken 10A, B bzw. dem Streckenkabel 9
definierten Abschnitt des Fahrwegs eingefahren ist bzw. diesen verläßt.
Tatsächlich besteht die Langstatorwicklung 3 außerdem nicht nur aus den Wicklungs
abschnitten 3.1 bis 3.9, sondern auch aus weiteren, entsprechenden Wicklungsabschnitten,
die z. B. mit den Wicklungsabschnitten 3.1 bis 3.9 in Sternpunkte 14.1, 14.2 usw.
aufweisenden Sternschaltungen verbunden sind, um das übliche Drehstromsystem mit den
Phasen R, S und T zu erhalten. Da diese zusätzlichen Wicklungsabschnitte zum Ver
ständnis der Erfindung nicht erforderlich sind, wurden sie in Fig. 2 zur Vereinfachung der
Darstellung nicht eingezeichnet.
Die in Fig. 2 dargestellten Wicklungsabschnitte 3.1 bis 3.9 dienen in der Regel nur zum
Antrieb einer, z. B. der rechten Seite des Fahrzeugs 5. Entsprechende Wicklungsabschnitte
15.1, 15.2, Schalteinrichtungen 16 und 17, Unterwerke 18A, B und Streckenkabel 19, 20
und 21 dienen zum Antrieb der linken Fahrzeugseite in entsprechender Weise. Dabei sind
die Wicklungsabschnitte 3.1 bis 3.9 zu den Wicklungsabschnitten 15.1 bis 15.9 vorzugs
weise jeweils um wenigstens eine Fahrzeuglänge in x-Richtung versetzt, um die An
wendung des sog. Wechselschritt-Verfahrens zu ermöglichen. Dieses besteht darin, daß
die Schalteinrichtungen 8 bzw. 16 immer dann betätigt werden, wenn sich eine Wechsel
stelle 22 bzw. 23 zwischen zwei hintereinander angeordneten Wicklungsabschnitten etwa
in der Fahrzeugmitte befindet. In der Praxis sind außerdem die sich entsprechenden
Unterwerke 10A, 18A bzw. 10B, 18B jeweils zu einer einzigen, am Fahrzeug angeordneten
Baugruppe zusammengefaßt. Die Wicklungsabschnitte 15.1 bis 15.9 führen zu Sternpunk
ten 24.1 bis 24.9.
Zur Steuerung der beschriebenen Magnetschwebebahn dient ein Geschwindigkeits- bzw.
Stromregler 25, dem über eine Leitung 26 ein Sollwert für die jeweils zu erzielende bzw.
einzuhaltende Geschwindigkeit des Fahrzeugs 5 und über eine Leitung 27 das vom
Fahrzeug 5 z. B. per Funk übermittelte aktuelle Ortssignal zugeführt werden. Die Soll
werte für die Geschwindigkeit sind in einem Sollwert-Speicher 28 abgelegt, dem ebenfalls
das Ortssignal zugeführt wird und der einen für den jeweils befahrenen Wicklungs
abschnitt vorgegebenen Geschwindigkeits- oder Strom-Sollwert abgibt.
Der Stromregler 25, dem über die Leitung 27 ebenfalls die Ortssignale zugeführt werden,
liefert an Ausgängen 25A, 25B Sollwerte, die z. B. aus Spannungs-Sollwerten bestehen und
den Unterwerken 10A, 10B zugeführt werden, um in diesen die an die Streckenkabel
anzulegenden Spannungen zu erzeugen bzw. die zur Erzielung der Nenngeschwindigkeit
erforderlichen Ströme einzuspeisen. Weitere Ausgänge 25C, 25D liefern entsprechende
Signale für die Unterwerke 18A, B. Mittels des am Fahrzeug 5 ermittelten Geschwindig
keit-Istsignals, das in einer Leitung 29 erscheint, überprüft der Geschwindigkeitsregler 25
die Einhaltung der vorgeschriebenen Nenngeschwindigkeit. An die Stelle einer Spannungs
regelung in den Unterwerken könnte auch eine Stromregelung treten. Die in Fig. 2 mit
dem Ausgang 25A verbundenen Blöcke werden weiter unten erläutert.
Schließlich ist in Fig. 2 eine mit der Leitung 27 verbundene Steuervorrichtung 30
angedeutet, mittels derer die verschiedenen Schalteinrichtungen 8, 11, 16 und 17 in
Abhängigkeit von der Ist-Position des Fahrzeugs 5 in x-Richtung so gesteuert werden, daß
einerseits stets nur die gerade befahrenen Wicklungsabschnitte und die zugehörigen
Unterwerke an die verschiedenen Streckenkabel angeschlossen sind und andererseits die
verschiedenen Wicklungsabschnitte in einer für die Erfindung charakteristischen Weise
miteinander verbunden werden, wie nachfolgend näher erläutert wird.
Vorrichtungen der beschriebenen Art und ihre Funktion sind allgemein aus den Druck
schriften DE-OS 29 32 764 A1, DE 33 03 961 A1, DE 39 17 058 A1 sowie dem
Sonderdruck aus etz, Bd. 108, 1987, Heft 9, Seiten 1-24 bekannt, die daher zur
Vermeidung von Wiederholungen durch Bezugnahme auf sie zum Gegenstand der
vorliegenden Offenbarung gemacht werden.
Fig. 3 zeigt schematisch die für bisher am besten gehaltene Ausführungsform der
Erfindung, wobei jedoch zur Vereinfachung des Verständnisses nur das Streckenkabel 9,
das Fahrzeug 5, die mit dicken Linien eingezeichneten Wicklungsabschnitte 3.1 bis 3.5, in
Fahrtrichtung x jeweils mit dem Anfang eines zugeordneten Wicklungsabschnitts ver
bundene, als Einspeiseschalter wirksame, erste Schalteinrichtungen 8.2 bis 8.5 und das
Streckenkabel 9 dargestellt sind, das hier zur Einfachspeisung nur mit dem Unterwerk
10A verbunden ist. Die einzelnen Wicklungsabschnitte 3.1 bis 3.5 sind dabei durch je eine
schematisch angedeutete Wechselstelle 22.1 bis 22.4 elektrisch voneinander getrennt. In
einem Ausgangszustand nach Fig. 3a befindet sich nur die Schalteinrichtung 8.2 im
geschlossenen Zustand. Die Steuervorrichtung 30 (Fig. 2) ist in Fig. 3 nicht noch einmal
dargestellt.
Erfindungsgemäß sind in Fig. 3 zweite Schalteinrichtungen 32.1 bis 32.4 vorgesehen, die
auch als Verlängerungsschalter bezeichnet werden könnten, da durch sie je zwei in
Fahrtrichtung x unmittelbar hintereinander angeordnete Wicklungsabschnitte elektrisch
miteinander verbunden werden können, wie dies in Fig. 3a z. B. für die Wicklungs
abschnitte 3.2 und 3.3 gilt. Die übrigen Wicklungsabschnitte sind nicht zu einer elek
trischen Reihenschaltung verbunden, da sich nur die Schalteinrichtung 32.2 im geschlosse
nen Zustand befindet.
In Fig. 3 sind weiterhin dritte Schalteinrichtungen 33.1 bis 33.4 vorgesehen, die auch als
Sternpunktschalter bezeichnet werden könnten, da durch sie die Enden der Wicklungs
abschnitte 3.1 bis 3.4 mit den zugehörigen Sternpunkten 14.1 bis 14.4 verbunden werden
können. Dies gilt in Fig. 3a für den Wicklungsabschnitt 3.3, während alle anderen
Sternpunkte 14 offen sind.
Bei Anwendung der Vorrichtung nach Fig. 3 wird erfindungsgemäß vorzugsweise
folgendes Verfahren angewendet:
Ausgehend von einem Ausgangszustand nach Fig. 3a, bei dem die Schalteinrichtungen
8.2, 32.2 und 33.3 im geschlossenen Zustand sind, besteht ein Strompfad vom Strecken
kabel 9 zum Wicklungsabschnitt 3.2, von dort über die Schalteinrichtung 32.2 und unter
Überbrückung der Wechselstelle 22.2 zum nächsten Wicklungsabschnitt 3.3 und von dort
schließlich zum Sternpunkt 14.3. Die Wicklungsabschnitte 3.2 und 3.3 sind somit
elektrisch in Reihe geschaltet. Das Fahrzeug 5 befindet sich gerade im Wicklungsabschnitt
3.2.
Wenn sich das Fahrzeug 5 der Wechselstelle 22.2 annähert (Fig. 3b), werden zusätzlich
die zweiten und dritten Schalteinrichtungen 32.3 und 33.4 in den geschlossenen Zustand
gebracht, wie in Fig. 3b durch Kreise angedeutet ist. Dadurch werden unter Überbrückung
der Wechselstelle 22.3 auch die hintereinander liegenden Wicklungsabschnitte 3.3 und 3.4
elektrisch in Reihe geschaltet, obwohl diese Reihenschaltung aufgrund der noch ge
schlossenen dritten Schalteinrichtung 33.3 vorerst weitgehend unwirksam bleibt, da der
Wicklungsabschnitt 3.4 gegenüber der zum Sternpunkt 33.3 führenden Leitung eine
erheblich größere Impedanz hat.
Im weiteren Verlauf passiert das Fahrzeug 5 die Wechselstelle 22.2 (Fig. 3c), wobei
dennoch der gesamte Fahrzeugmotor permanent aktiv bleibt, weil die beiden betroffenen
Wicklungsabschnitte 3.2 und 3.3 von Strom durchflossen sind.
Nachdem das Fahrzeug 5 die Wechselstelle 22.2 vollständig überfahren hat (Fig. 3d),
wird die dritte, von einem Kreis umrandete Schalteinrichtung 33.3 in den geöffneten
Zustand überführt, wodurch die von den drei Wicklungsabschnitten 3.2, 3.3 und 3.4
gebildete Reihenschaltung voll wirksam wird.
Im nächsten Schritt (Fig. 3e) wird die erste Schalteinrichtung 8.3 in den geschlossenen
Zustand versetzt, um dadurch den Anfang des Wicklungsabschnitts 3.3 direkt an das
Streckenkabel 9 anzuschließen, wodurch zeitweilig ein Teil des Stroms auch noch über
den Wicklungsabschnitt 3.2 fließt. Der Stromanteil, der durch das Streckenkabel 9 zum
Wicklungsabschnitt 3.3 fließt, ist dabei wegen der vergleichsweise kleinen Impedanz des
Streckenkabels 9 erheblich größer als der durch den Wicklungsabschnitt 3.2 fließende Teil
des Stroms. Das Fahrzeug 5 befindet sich immer noch im Wicklungsabschnitt 3.3.
Schließlich werden im letzten Verfahrensschritt (Fig. 3f) die erste Schalteinrichtung 8.2
und die zweite Schalteinrichtung 32.2 in den geöffneten Zustand überführt. Dadurch wird
die Reihenschaltung der Wicklungsabschnitte 3.2 und 3.3 unterbrochen. Das Fahrzeug 5
befindet sich noch im Wicklungsabschnitt 3.3. Daher ist in dem Endzustand nach Fig. 3f
bezüglich der Wicklungsabschnitte 3.3 und 3.4 derselbe Zustand hergestellt, der in Fig. 3a
für die Wicklungsabschnitte 3.2 und 3.3 gezeigt ist.
Im weiteren Verlauf der Fahrt des Fahrzeugs 5 wiederholen sich die beschriebenen
Verfahrensschritte entsprechend. Dadurch sind je nach Einstellung der Schalteinrichtungen
8, 32 und 33 entweder zwei oder drei in Fahrtrichtung hintereinander liegende Wicklungs
abschnitte in Reihe geschaltet mit der Folge, daß sich entsprechende Änderungen der
Summe der auf die beteiligten Wicklungs- bzw. Streckenkabelabschnitte entfallenden
Impedanzen ergeben. Haben alle Wicklungsabschnitte gleiche Impedanzen und sind die
Impedanzanteile der Streckenkabel klein, dann beträgt der Impedanzwechsel jeweils ca.
33%, was mit einem entsprechenden Stromabfall bzw. einer entsprechenden Strom
erhöhung verbunden ist.
Die in Fig. 3 z. B. für die Phase R beschriebenen Schalteinrichtungen sind entsprechend
bei den beiden anderen Phasen vorhanden.
Da die Strom- bzw. Schubkraftänderungen, die durch eine Impedanzänderung von 33%
verursacht werden, nicht ebenfalls 33% betragen, sondern kleiner sind, sind die Schub
kraftänderungen im Bereich der Wechselstellen insgesamt verhältnismäßig klein, so daß
sie durch eine entsprechend geringfügige Überdimensionierung des Unterwerks 10A leicht
ausgeglichen werden können. Vorteilhaft ist in jedem Fall, daß im Bereich der Wechsel
stellen 22 keine Unterbrechung des Stroms auftritt, stets der ganze Fahrzeugmotor aktiv
bleibt und nur ein Streckenkabel 9 und ein Unterwerk 10A benötigt werden, um beim
Passieren einer Wechselstelle ähnliche Zustandsänderungen zu erreichen, die bisher nur
bei Anwendung der bekannten Bocksprung- bzw. Wechselschrittverfahren und daher nur
mit Hilfe von zwei Streckenkabeln und zwei Unterwerken erreicht werden konnten.
Aufgrund der aus Fig. 3 ersichtlichen, für die Erfindung charakteristischen Schaltfolgen
für die Wicklungsabschnitte wird das erfindungsgemäße Verfahren als Teilschrittverfahren
bezeichnet.
Kann in den Unterwerken 10A eine ausreichend hohe Leistung (insbesondere Spannung)
installiert werden, was z. B. im mit geringen Fahrtgeschwindigkeiten auskommenden
Regionalverkehr aufgrund des insgesamt geringen Leistungsbedarfs unproblematisch ist,
kann entsprechend Fig. 4, in der gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 3
versehen sind, auch vorgesehen sein, höchstens zwei in Fahrtrichtung x hintereinander
angeordnete Wicklungsabschnitte in Reihe zu schalten.
Die Fig. 4a bis 4c entsprechen den Fig. 3a bis 3c, wobei wegen des geschlossenen
Sternpunkts 14.3 der Wicklungsabschnitt 3.4 wie in Fig. 3 praktisch ohne Auswirkung auf
die Gesamtimpedanz der aus den Wicklungsabschnitten 3.2 und 3.3 gebildeten Reihen
schaltung ist.
Hat das Fahrzeug 5 die Wechselstelle 22.2 entsprechend Fig. 4d passiert, wird bei dieser
Ausführungsform anders als in Fig. 3d die Schalteinrichtung 8.3 in den geschlossenen
Zustand gebracht, wodurch der noch zugeschaltete Wicklungsabschnitt 3.2 praktisch
überbrückt wird. Der Strom fließt hier wegen der geringen Impedanz des zugeschalteten
Streckenkabelabschnitts praktisch allein durch den Wicklungsabschnitt 3.3. Im weiteren
Verlauf der Fahrt des Fahrzeugs 5 werden dann zunächst die Schalteinrichtungen 8.2 und
32.2 in den geöffneten Zustand versetzt (Fig. 4e), wodurch der Wicklungsabschnitt 3.2
von der Reihenschaltung abgetrennt wird. Abschließend wird gemäß Fig. 4f die Schalt
einrichtung 33.3 in den geöffneten Zustand geschaltet, wodurch der Sternpunkt 14.3
geöffnet wird und sich für die Wicklungsabschnitte 3.3 und 3.4 der in Fig. 4a für die
Wicklungsabschnitte 3.2 und 3.3 gezeigte Zustand ergibt. Die Betätigungen der Schalt
einrichtungen haben beim Beispiel nach Fig. 4 somit Impedanzwechsel von ca. 50% zur
Folge, so daß in den Unterwerken 10A entsprechend höhere Leistungen für den aus
Fig. 4d ersichtlichen Zustand installiert werden müssen,
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem mittels je eines Streckenkabels 9 und eines
Unterwerks 10A und im übrigen analog zu Fig. 2 mehrere Wicklungsabschnitte 3.1 bis
3.3 bzw. 15.1 bis 15.3 von zwei nebeneinander angeordneten Langstatorwicklungen mit
Strom versorgt werden.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 sind zusätzlich zu den Schalteinrichtungen 8.1 bis
8.3 und 32.1, 32.2 zweite, den Schalteinrichtungen 32 entsprechende, zur Verbindung der
Wicklungsabschnitte 15.1 bis 15.3 usw. bestimmte Schalteinrichtungen 35.1 und 35.2
sowie vierte Schalteinrichtungen 36.1, 36.2 vorgesehen, mittels derer jeweils zwei
nebeneinander liegende und einander paarweise zugeordnete Wicklungsabschnitte 3.1,15.1
bzw. 3.2, 15.2 usw. miteinander verbunden werden können, wobei diese Verbindungen an
den in Fahrtrichtung x vorderen Enden der Wicklungsabschnitte erfolgt. Die Schalt
einrichtungen 36 könnten daher z. B. als Reihenschalter interpretiert werden. Die Schalt
einrichtungen 16 und 33 sowie die zugehörigen Sternpunkte 14 (Fig. 3, 4) fehlen. Statt
dessen sind dritte Schalteinrichtungen 37.1, 37.2 usw. vorgesehen, die zwischen die
Wicklungsabschnitte 15.1 usw. und die zugehörigen Sternpunkte 24.1 usw. geschaltet
sind, die an die in Fahrtrichtung x hinteren Enden der Wicklungsabscbnitte 15.1 usw.
angeschlossen sind.
Wie Fig. 5a zeigt, befindet sich das Fahrzeug 5 mit seiner linken bzw. rechten Motor
hälfte in den nebeneinander liegenden Wicklungsabschnitten 3.1 und 15.1. Die Schalt
einrichtungen 8.1, 32.1, 36.2, 35.1 und 37.1 sind im geschlossenen, die übrigen Schalt
einrichtungen im offenen Zustand. Daher durchfließt der vom Unterwerk 10A kommende
Strom nacheinander die erste Schalteinrichtung 8.1, den daran anschließenden Wicklungs
abschnitt 3.1 und dann unter Überbrückung der Wechselstelle 22.1 die Schalteinrichtung
32.1 und den Wicklungsabschnitt 3.2, die Schalteinrichtung 36.2 und den Wicklungs
abschnitt 15.2. Danach wird mittels der Schalteinrichtung 35.1 die Wechselstelle 23.1
überbrückt, und schließlich fließt der Strom durch den Wicklungsabschnitt 15.1 und die
Schalteinrichtung 37.1 zum Sternpunkt 24.1. Analog zu Fig. 3 und 4 sind somit je zwei
hintereinander angeordnete Wicklungsabschnitte, nämlich 3.1, 3.2 einerseits und 15.2, 15. 1
andererseits, elektrisch in Reihe hintereinander geschaltet, wobei außerdem die beiden
nebeneinander liegenden Reihenschaltungen 3.1, 3.2 und 15.2, 15.1 durch die Schaltein
richtung 36.2 elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Wenn sich das Fahrzeug 5 im weiteren Verlauf den Wechselstellen 22.1, 23.1 nähert, wird
die Schalteinrichtung 36.2 geöffnet, während die Schalteinrichtungen 32.2, 35.2 und 36.3
in den geschlossenen Zustand gebracht werden, so daß jetzt analog zu Fig. 3 je drei
hintereinander angeordnete Wicklungsabschnitte 3.1 bis 3.3 bzw. 15.3 bis 15.1 elektrisch
in Reihe geschaltet und durch die Schalteinrichtung 36.3 zusätzlich die beiden nebenein
ander liegenden Reihenschaltungen in Serie geschaltet sind. Hat das Fahrzeug 5 die
Wechselstellen 32.1,23.1 passiert (Fig. 5c), wird einerseits die Schalteinrichtung 37.1
geöffnet und die Schalteinrichtung 37.2 geschlossen, um den Sternpunkt 24.1 zu öffnen
und den Sternpunkt 24.2 zu schließen. Andererseits wird die Schalteinrichtung 8.2
geschlossen, und die zweiten Schalteinrichtungen 8.1, 32.1 und 35.1 werden geöffnet
(Fig. 5d), um dadurch die Wicklungsabschnitte 3.1, 15.1 von den Reihenschaltungen zu
trennen. Der erreichte Endzustand entspricht für die Wicklungsabschnitte 3.2, 3.3 bzw.
15.2, 15.3 dem aus Fig. 5a für die Wicklungsabschnitte 3.1, 3.2 bzw. 15.1, 15.2 ersicht
lichen Ausgangszustand. Daraus ergibt sich, daß wie in Fig. 3 jeweils zwei oder drei
Wicklungsabschnitte pro Motorseite zu einer Reihenschaltung verbunden sind. Werden
dabei, was in Fig. 5 nicht gesondert dargestellt ist, die Wechselstellen um wenigstens eine
Fahrzeuglänge in x-Richtung versetzt (Wechselschrittverfahren), beträgt der durch die
Impedanzwechsel bewirkte Schubkrafteinbruch maximal 16,7%. Auch bei diesem Beispiel
sind entsprechende Schalteinrichtungen für die anderen beiden Phasen vorgesehen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ergibt sich aus Fig. 6 und 7, nach denen
die Wicklungsabschnitte nicht in einer Sternschaltung, sondern in einer Drehstrom-
Dreieckschaltung angeordnet sind. Infolgedessen sind, wie nur in Fig. 6 für alle drei
Phasen dargestellt ist, drei Streckenkabel 9a, 9b und 9c für die Phasen R, S und T und
entsprechend pro Motorseite je drei linke bzw. rechte Wicklungsabschnitte 3.11 (R), 3.12
(S), 3.13 (T) usw. bzw. 15.11 (R), 15.12 (S) und 15.13 (T) usw. vorgesehen. Außerdem
sind in Fig. 6 schematisch zwei Wechselstellen 22.1 und 22.2 angedeutet, denen analog zu
Fig. 3 jeweils eine erste Schalteinrichtung 8, je eine zweite Schalteinrichtung 32, 35 für
den linken bzw. rechten Wicklungsabschnitt, eine vierte Schalteinrichtung 36 zur Ver
bindung von zwei nebeneinander liegenden Wicklungsabschnitten und je eine fünfte
Schalteinrichtung 38 zugeordnet sind, die als Dreieck-Schalter bezeichnet werden könnten.
Alle Schalteinrichtungen sind hier vorzugsweise als dreipolige, gleichzeitig betätigbare
Schalter ausgebildet. Soll bei dieser Variante z. B. Strom in die Wicklungsabschnitte 3.21
bis 3.23 und 15.21 bis 15.23 eingespeist werden, ist es erforderlich, in der Wechselstelle
22.1 die Schalteinrichtungen 8 und 38 und in der Wechselstelle 22.2 die Schalteinrichtung
36 in den geschlossenen Zustand, alle anderen Schalteinrichtungen dagegen in den
geöffneten Zustand zu versetzen. Dadurch würde das Streckenkabel 9a über die ge
schlossene Schalteinrichtung 8, den Wicklungsabschnitt 3.21, die geschlossene Schalt
einrichtung 36, den Wicklungsabschnitt 15.21 und die geschlossene Schalteinrichtung 38
mit dem Anfang des Wicklungsabschnitts 3.22 (Verbindung der Phasen R und S) ver
bunden. Entsprechend würden das Streckenkabel 9b an den Anfang des Wicklungs
abschnitts 3.23 (Verbindung der Phasen S und T) und das Streckenkabel 9c an den Anfang
des Wicklungsabschnitts 3.21 (Verbindung der Phasen T und R) angeschlossen, wie dies
für Dreieckschaltungen charakteristisch ist.
Fig. 7a bis 7d zeigen die erfindungsgemäßen Fortschaltungen der Wicklungsabschnitte bei
Anwendung der Dreipunktschaltung nach Fig. 6, wobei nur eine Phase mit dem Strecken
kabel 9a (Phase R) und den Wicklungsabschnitten 3.11 bis 3.31 bzw. 15.11 bis 15.31
dargestellt ist. Analog zu Fig. 3 werden die Schalteinrichtungen 8, 32, 35, 36 und 38 so
betätigt, daß in einem aus Fig. 7a ersichtlichen Ausgangszustand je zwei hintereinander
angeordnete Wicklungsabschnitte 3,11, 3.21 bzw. 15.11, 15.21 in Reihenschaltung
verbunden sind, wobei die Schalteinrichtung 36.2 gleichzeitig die beiden nebeneinander
liegenden Reihenschaltungen der linken und rechten Motorhälfte verbindet und die
Schalteinrichtung 38.1 analog zu Fig. 6 das Streckenkabel 9a (Phase R) mit der schema
tisch angedeuteten Phase S verbindet. Bei Annäherung des nicht dargestellten Fahrzeugs
an die nächste Wechselstelle zwischen den Wicklungsabschnitten 3.11, 3.21 bzw.
15.11, 15.21 werden die jeweils dritten Wicklungsabschnitte 3.31 und 15.31 in diese
Reihenschaltung einbezogen. Fig. 7c zeigt, daß jetzt die Schalteinrichtung 8.2 eingeschal
tet und dadurch das Streckenkabel 9a analog zu Fig. 3e den Wicklungsabschnitten
3.11, 15.11 parallel geschaltet wird. Der in Fig. 7d gezeigte Zustand stellt dann wieder zu
Fig. 7a analoge Verhältnisse für die Reihenschaltungen der Wicklungsabschnitte 3.21, 3.31
bzw. 15.21, 15.31 her.
Fig. 8 zeigt schließlich eine sogenannte offene Sternschaltung mit parallel betriebenen
Wicklungsabschnitten für eine Phase. In diesem Beispiel ist an beide Enden des Strecken
kabels 9 je ein Unterwerk 10A bzw. 10B angeschlossen, und das Streckenkabel 9 selbst ist
durch zusätzliche Schalteinrichtungen 41.1 bis 41.3 in einzelne Abschnitte unterteilt.
Analog zu Fig. 3 bis 7 ist in einem Ausgangszustand (Fig. 8a) die Schalteinrichtung 41.1
im geöffneten Zustand, während sich alle in Fahrtrichtung x davor liegenden Schalt
einrichtungen 41.2, 41.3 usw. im geschlossenen Zustand befinden. Der Strom wird
außerdem vom Unterwerk 10A parallel in die jeweils in Reihenschaltung verbundenen
Wicklungsabschnitte 3.1, 3.2 bzw. 15.1, 15.2 eingespeist, weil die vierten Schalteinrichtun
gen 36 hier die in Fahrtrichtung x hinteren Enden der Wicklungsabschnitte 3.1, 15.1 bzw.
3.2, 15.2 usw. miteinander verbinden. Am Ende dieser Reihenschaltungen wird der Strom
über die Schalteinrichtung 8.3 und 41.3 einem im Unterwerk 10B befindlichen Sternpunkt
zugeführt. Alternativ könnte der Sternpunkt auch im Unterwerk 10A gebildet sein, in
welchem Fall das in Fig. 8 rechte Ende des Streckenkabels 9 zum Unterwerk 10A
zurückgeführt werden müßte. Im übrigen ergeben sich die Zustände nach Fig. 8b, 8c
und 8d aus den dargestellten Zuständen aus den Einstellungen der Schalteinrichtungen
analog zu Fig. 3 bis 7.
Noch ein anderes Ausführungsbeispiel könnte eine offene Sternschaltung in der Weise
vorsehen, daß die beiden nebeneinander liegenden Reihenschaltungen aus den linken und
rechten Wicklungsabschnitten nicht wie in Fig. 8 parallel, sondern wie in Fig. 5 in
Reihenschaltung betrieben werden.
Die aus Fig. 8 ersichtliche Variante kann dadurch ergänzt werden, daß jeder Streckenka
belabschnitt mit je zwei Schalteinrichtungen anstatt mit nur einer Schalteinrichtung 41.1
bis 41.3 versehen wird, wobei diese Schalteinrichtungen vorzugsweise am Anfang und am
Ende eines jeden Streckenkabelabschnitts angebracht werden. Für diesen Fall ist es
möglich, mit Hilfe der anderen beschriebenen Schalteinrichtungen einen defekten Strec
kenkabelabschnitt zu umgehen, so daß nur für den Bereich zwischen den beiden zu
gehörigen Wechselstellen ein geringfügiger Schubkrafteinbruch in Kauf genommen werden
muß. Dieselbe Wirkung kann erzielt werden, wenn zwei Streckenkabel vorgesehen und
diese an jeder Wechselstelle durch weitere Schalteinrichtungen miteinander verbunden
werden. Eine solche Lösung bringt den zusätzlichen Vorteil mit sich, daß über jedes der
beiden Streckenkabel die halbe Leistung zugeführt werden kann, so daß selbst beim
Ausfall eines kompletten Kabels kein völliger Ausfall des zugehörigen Motorteils eintritt.
Schließlich können mit Hilfe der beschriebenen Schalteinrichtungen auch defekte Wick
lungsabschnitte weitgehend unwirksam gemacht werden, indem sie durch geeignete
Einstellung der Schalteinrichtungen bei den beschriebenen Fortschaltungen umgangen
werden.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele setzen einerseits voraus, daß zur Aufrechterhal
tung des Nennstroms beim Überwechseln von einem auf zwei bzw. von zwei auf drei
Wicklungsabschnitte eine ausreichende Spannungsreserve vorhanden ist. Andererseits muß
beim Wegschalten eines Wicklungsabschnitts verhindert werden, daß aufgrund der
Impedanzverkleinerung eine kritische Stromgrenze überschritten wird, z. B. aufgrund von
zu träge arbeitenden Stromreglern, da dies Beschädigungen des Antriebsmotors zur Folge
haben könnte. Die Erfindung sieht daher gemäß Fig. 2 zusätzlich eine Schaltungsanord
nung in Form eines Spannungshalters vor, der während der aus Fig. 3 bis 8 ersichtlichen
Umschaltungen aktiviert wird. Dazu führt der Ausgang des üblichen Geschwindigkeits-
bzw. Stromreglers 25 über ein Auswählorgan 40 zum Eingang des zugehörigen, mit dem
Streckenkabel 9 verbundenen Unterwerks 10A. Außerdem ist eine Ablaufsteuerung 41
vorgesehen, die eingangsseitig z. B. mit der Leitung 27 (Fig. 2) verbunden ist, über die
das aktuelle Ortssignal des Fahrzeugs 5 zugeführt wird, und die außerdem an einem
Ausgang Steuersignale für das Auswählorgan 40 und einen Speicher 42 liefert, der
weitere, mit den Ausgängen 25A bis 25D des Stromreglers 25 verbundene Eingänge und
mit tiem Auswählorgan 40 verbundene Ausgänge aufweist. Diese Ablaufsteuerung 41
arbeitet wie folgt:
Bei normaler Fahrt des Fahrzeugs 5 innerhalb irgendeines Wicklungsabschnitts verbindet
das Auswählorgan 40 die Ausgänge 25A bis 25D des Stromreglers 25 mit dem Unterwerk
10A, 10B, 18A bzw. 18B. Kurz vor dem Einlaufen des Fahrzeugs 5 in eine Wechselstelle,
d. h. kurz bevor die erste Schalteinrichtung betätigt wird (z.B. die Schalteinrichtung 32.3
in Fig. 3), gibt die Ablaufsteuerung 41 ein Steuersignal ab, wodurch die betreffenden
Ausgänge 25A bis 25D des Stromreglers 25 mit den zugeordneten weiteren Eingängen des
Speichers 42 und gleichzeitig die entsprechenden Eingänge des Auswählorgans 40 mit den
zugehörigen Ausgängen des Speichers 42 verbunden werden. Dadurch übernimmt der
Speicher 42 den zu diesem Zeitpunkt am betreffenden Ausgang 25A bis 25D des Strom
reglers 25 erscheinenden Sollwert und speichert diesen. Gleichzeitig ist der Speicher 42
über das Auswählorgan 40 mit dem betreffenden Unterwerk 10A bis 18B verbunden, so
daß diesem der gespeicherte Sollwert zugeführt wird. Dieser Zustand bleibt so lange
erhalten, bis das Fahrzeug 5 die betreffende Wechselstelle passiert hat und beispielsweise
der Endzustand nach Fig. 3f erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt gibt die Ablaufsteuerung 41
ein Steuersignal ab, das den Speicher 42 vom Auswählorgan 40 trennt und statt dessen den
Stromregler 25 wieder direkt mit dem Unterwerk 10A bis 18B verbindet. Dadurch ergibt
sich der wesentliche Vorteil, daß im Bereich der Wechselstellen in den Unterwerken eine
konstante Spannung erzeugt wird, der Stromregler 25 unwirksam ist. Die oben beschriebe
nen Impedanzverkleinerungen können daher keine unerwünschten Stromüberhöhungen und
damit keine Motorschäden verursachen. Stattdessen erfolgt während einer Impedanzerhö
hung ein geringfügiges Absinken des Stroms. Die konstante Spannung kann auch über
andere Einrichtungen generiert werden, z. B. durch offline-Berechnungen.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die in
vielfacher Weise abgeändert werden könnten. Dies gilt insbesondere für die anhand der
Fig. 3 bis 8 beschriebenen Ausführungsbeispiele, die in weiten Grenzen variiert werden
können, insbesondere im Hinblick auf die Ausbildung und Folgesteuerung der verschiede
nen Schalteinrichtungen. Die Schalteinrichtungen bestehen vorzugsweise aus Vakuum
schützen, doch können auch andere Schalteinrichtungen vorgesehen werden. Weiter könnte
vorgesehen sein, in Fig. 3 einzelne Verfahrensschritte gleichzeitig durchzuführen, z. B. die
Verfahrensschritte nach Fig. 3d bis 3f. Dabei dient allerdings z. B. die Durchführung des
Verfahrensschritts nach Fig. 3e dem Zweck, das Schließen der Schalteinrichtung 16.3
sicher vor dem Öffnen der Schalteinrichtung 16.2 und 41.2 zu bewirken, damit nicht
unbeabsichtigt eine Stromunterbrechung eintritt. Entsprechende Überlegungen können sich
für die übrigen Verfahrensschritte ergeben. Insbesondere sollte der dritte Wicklungs
abschnitt 3.4 in Fig. 3c schon zugeschaltet sein, bevor die Einspeisung des ersten
Wicklungsabschnitts 3.2 (Fig. 3e) überbrückt und dadurch unter Umständen kurzzeitig ein
zu hoher Strom im Wicklungsabschnitt 3.3 erzeugt wird. Weiter versteht sich, daß das
Zeitintervall, in dem der durch den Speicher 42 repräsentierte Spannungshalter aktiv ist,
möglichst kurz sein sollte, da normalerweise nur für diesen Fall vor und hinter den
Wechselstellen im wesentlichen gleiche Nenngeschwindigkeiten zu erwarten sind und
daher im wesentlichen gleiche Werte für den Strom benötigt werden. Schließlich versteht
sich, daß die einzelnen Merkmale der Erfindung auch in anderen als den beschriebenen
und dargestellten Kombinationen verwendet werden können.