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Schaltung für Gleichstrombahnen mit Reihenschlußmotoren Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auf Schaltungen für Gleichstrombahnen mit Reihenschlußmotoren,
insbesondere solche, bei denen im Falle der Nutzbremsung die Motorfeldwicklungen
über einen Vorschaltwiderstand mit dem Netz verbunden werden (Abb. z). Da die Feldwicklung
eines Reihenschlußinotors nur einen verhältnismäßig geringen Widerstand hat, geht
bei Nutzbremsschaltungen dieser Art der größte Teil der Erregerleistung im Vorschaltwiderstand
W verloren. Bei mehrmotorigen Fahrzeugausrüstungen kann dieser Nachteil durch Hintereinanderschaltung
mehrerer Motorfeldwicklungen vermindert werden. Trotzdem bleibt auch dann infolge
der großen Vorschaltwiderstandverluste das Verhältnis zwischen der dem Netz entnommenen
Erregerleistung und der ins Netz zurückgelieferten Ankerleistung ungünstig im Vergleich
mit anderen Stromrückgewinnungsschaltungen für Reihenschl.ußmotoren, bei denen geringere
Erregerverluste auftreten, z. B. solchen mit Nebenschlußverbundwicklung oderUmformer
für mittelbare Speisung der Motorfeldwicklung.
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Nach der Erfindung wird der Wirkungsgrad von Stromrückgewinnungsschaltungen
mit Reihenschlußmotoren, deren Feldwicklungen über einen Vorschaltwiderstand vom
Netz gespeist werden, dadurch verbessert, daß in der Fahrschaltung den Motorfeldwicklungen
Widerstände parallel geschaltet werden, welche beim Nutzbremsen ganz oder teilweise
abzuschalten sind. Die Windungszahl der Feldwicklungen wird gegenüber normalen Motoren
bedeutend erhöht, so daß ein niedriger Erregerstrom ausreicht und daher beim Nutzbremsen
der Motorfeld@vicklung ein hoher Widerstand vorgeschaltet werden kann; daher werden
die Verluste im Feldkreis beim Nutzbremsen in hohem Maße herabgesetzt. Um beim Fahren
keine zu hohe Feldstärke zu haben, wird der Motorfeldwicklung ein Widerstand parallel
geschaltet, welcher einen verhältnismäßig geringen Mehrverlust bedingt. Die Erfindung
beruht auf der Erkenntnis, daß die aus der beschriebenen Änderung der Motorfeldwicklung
entstehende Verschlechterung des elektromechanischen Wirkungsgrades beim Fahren
auf den Gesamtstromverbrauch einen bedeutend geringeren Einfiuß ausübt als die gleichzeitig
sich ergebende elektrische Wirkungsgradverbesserung beim Nutzbremsen, so daß sich
insgesamt ein verbesserter Wattstundenverbrauch je Tonnenkilometer ergibt.
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Es ist für Motorsteuerungen bekanntgeworden, nach erfolgtem Abschalten
des Ankerwiderstandes eine Geschwindigkeitserhöhung durch Schwächung des Feldes
herbeizuführen. Dabei ist das Feld ein ganz noranales
Reihenschlußfeld
und so bemessen, daß es beim Nutzbremsen einen erheblichen Vorschaltwiderstand und
einen hohen Erregerstrom benötigt. Dies soll jedoch gerade aus Gründen der Ltiergieersl>arnis
durch die Erfindung vermieden «-erden. Ebenfalls ist eine Anordnung bekannt, bei
der parallel zu den hintereinandergeschalteten Feldwicklungen von Gleichstromreihenschlußniotoren
ein Widerstand parallel geschaltet ist, der während der Nutzbremsung abgetrennt
wird. Dieser Schaltung fehlt jedoch das erfindungsgemäße Merkmal, daß nämlich auch
während der Fahrt die Felder geschwächt sind. Außerdem liegt der Anordnung lediglich
die Aufgabe zugrunde, eine Überlastung der Feldwicklungen bei der Ieurzschlußbreinsung
zu verhalten. Beim hurzschlußbremsen müssen die Feldwicklungen in der bekannten
Spezialschaltung einen mehrfachen Ankerstrom aufnehmen. Um dies zu vermeiden, wird
ein Entlastungswiderstand eingeschaltet.
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Schließlich ist noch eine Schaltanordnung bekanntgeworden, mit der
zwar teilweise bezüglich der 1,Iotorcharakteristik dasselbe erreicht wird wie durch
den Erfindungsgegenstand, mit der jedoch die Motorfelder ini utzbremsbetrieb, d.
h. bei Reihenschaltung der Teilwicklungen nur den halben Strom übernehmen wie beim
Fahrbetrieb, wo beide Teile parallel geschaltet sind. Außer diesem Verhältnis i
: 2 bezüglich der Stromaufnahme der Feldwicklungen sind zwar noch andere Unterteilungen
möglich, mit denen jedoch nur ganz bestimmte Proportionen, wie z. B. i : 3, i :
4 usw., hergestellt werden können. Diese Tatsache bedeutet aber, daß man bezüglich
der Wahl des Feldstroinverhältnisses beim `utzbrenis- und Fahr- bzw. hurzschlußbremsbetrieb
an ganz bestimmte Zahlenwerte gebunden ist. Bei der Schaltung nach der Erfindung
besteht dagegen eine vollständige Freiheit in der Wahl des angegebenen Stromverhältnisses.
Jeder Fachmann weiß aber, daß die richtige Mahl des Stromverhältnisses für den Wirkungsgrad
der `#utzbremsung von größter Bedeutung ist. Mine genaue Abwägung dieses Stromverhältnisses
ist aber mit den Mitteln der bekannten Anordnung nicht möglich.
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Abb. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schaltung nach der Erfindung
für eine ein-Inotorige Triebwagenausrüstung. 5' ist ein Nebenschlußwiderstand, welcher
in der gezeichneten Fahrschaltung parallel zur '-\Iotorfeldwicklung H liegt und
beim Nutzbreiliseti nach der Schaltung in Abb. i abgeschaltit wird.
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Bei der neuen Schaltung «erden die Feldwicklungen der Motoren so bemessen,
daß sie während des Fahrens trotz ParalleIsehaltung des erwähnten Widerstandes S
einen ausreichenden magnetischen Fluß erzeugen. Damit diese Bedingung auch bei vorhandenen
"Triebwagen erfüllt wird, die fair Stromrückgewinnung nach der neuen Schaltung umgestellt
«erden sollet, müssen die F eldwicklungen ihrer Motoren gegen solche größerer Windungszahl
mit entsprechend erhöhtem Widerstand ausgewechselt werden. Durch geeignete Bemessung
des beim Fahren parallel geschalteten Widerstandes S (Abb.2) läßt sich erreichen,
daß ein in der beschriebenen `-eise geänderter Motor beim Fahren die gleiche Strotii1Zugkraftlcennlinie
beibehält wie vor dein Unibau.
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Der günstige Gesamtwirkungsgrad bei der neuen Schaltung soll an einem
einfachen Zahlenbeispiel für eine einmotorige Triebwagenausriistung in Schaltung
nach Abb. i und 2 gezeigt werden.
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Der betrachtete Motor sei für 55o V gewickelt und habe einen Stundenstrom
von 7o Anil>. Dies entspricht einer aufgenommenen Leistung von 38,5 k`N'. Der ursprünglich
vorhandene Widerstand der Feldwicklung betrage 0,2 Ohm. Liegt dann der Motor beim
Fahren in der in Abb.2 dargestellten Schaltung am \ etz, so errechnen sich die l=R-\`erluste
beim Stundenstrom in der Feldwickllilig zu 4900 X 0,2 oder 98o Watt; die Verluste
betragen also rund 2,5 % der gesamten, vom Motor aufgenommenen elektrischen
Leistung. Nimmt man jetzt an, daß die Feldwicklungen des Motors durch andere roll
.1facher Windungszahl mit gleichen äußeren Abmessungen ersetzt werden, so wird der
Feldwiderstand l6nial so groß, bet rägt i also 3,2 Ohm. Damit die neuen Feldwicklungen
denselben magnetischen Fluß hervorrufen wie die ursprünglichen, darf der Erregerstrom
mir ein Viertel des Gesamtstromes betragen. Der hierfür erforderliche \ebenschlußwiderstand
S ist leicht zu berechnen. A1sGesamtwiderstand vonFeldwicklung und Nebenschlußwiderstand
ergibt sich o,8 Ohm, also der vierfache Wert des ursprünglichen Feldwiderstandes.
Damit werden auch die Erregerverluste beim Fahren viermal größer und betragen io°/o
der aufgenommenen Motorleistung.
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Beien \ utzbreinsen nach Abb. i steht nach der Umänderung die .ifaclie
`@'indungszahl zur Feldmagnetisierung zur Verfügung. Daher genügt ein Viertel des
ursprünglich dem Netz entnommenen Erregerstromes, um die gleiche Zahl Amperewindungen
zur Magnetisierung der Feldpole zu erzeugen. Dementsprechend gehen auch die Erregerverluste
auf den vierten Teil zurück. Fair die angenommene eintiotorige Wagenausrüstung stehen
sich also gegenüber:
Zunahme der Erregerverluste beim Fahren: 1o
-a,5 = 7,5 % der vom Motor aufgenommenen elektrischen Leistung.
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Verminderung der Erregerverluste beim Nutzbrennen: 1-'/4=750/0 des
ursprünglichen Wertes.
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In den Abb. 3 bis 6 ist die beim Fahren bzw. rückgelieferte elektrische
Leistung für den betrachteten einmotorigen Triebwagen dargestellt.
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Abb.3 enthält die Leistungsaufnahme sowie die Erregerverluste beim
Fahren in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, bevor der Motor in der beschriebenen
Weise geändert wird, und Abb. 4 dieselben Kurven nach der Umänderung. Die Gesamtleistung
verläuft in beiden Fällen gleich, während die Erregerverluste in Abb.4, wie durch
Schraffierung hervorgehoben wird, in unbedeutendem Maße vergrößert sind.
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Abb.5 enthält die entsprechenden Leistungskurven für Nutzbremsung
vor der Änderung und Abb.6 diejenigen nach der .*lnderung des Motors. In beiden
Fällen ist die ans Netz abgegebene Leistung mit -N bezeichnet und nach oben aufgetragen.
Sie stellt die Differenz aus der mit -(-N bezeichneten, nach unten aufgetragenen
Erregerleistung und der nach oben aufgetragenen rückgelieferten Ankerleistung dar.
Der Einfachheit halber ist angenommen, daß der Ankerstrom vom Einsetzen der Bremsung
bis zu einer bestimmten Mindestgeschwindigkeit unverändert bleibt. Infolgedessen
steigt die erforderliche Erregerleistung innerhalb des betrachteten Geschwindigkeitsbereiches
nach der gezeichneten Geraden an. In Abb.6 sind die entsprechenden Leistungskurven
für den geänderten Motor mit Feldwicklungen höherer Windungszahl dargestellt. Die
Erregerleistung ist hier bedeutend geringer, so daß die entsprechende Gerade flacher
verläuft als in Abb. 5. Der Unterschied zwischen der bei der neuen Schaltung und
vor der Umänderung des Motors ins Netz zurückgelieferten Leistung ist in Abb.6 durch
Schraffierung hervorgehoben. Ein Vergleich der beiden schraffierten Flächen in Abb.
4 und 6 zeigt deutlich, daß die Erhöhung der rückgewonnenen Leistung die zusätzlichem
beim Fahren entstehenden Verluste bei weitem überwiegt, so daß der Gesamtwirkungsgrad
bedeutend verbessert ist.
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Das vorstehende Beispiel eines einmotorigen Fahrzeugs wurde gewählt,
um das Wesen der neuen Schaltung besonders deutlich zu zeigen. Bei mehrmotorigen
Fahrzeugen ist der Unterschied zwischen Verlustzunahme beim Fahren und Verlustverminderung
beim Bremsen kleiner, da beim Nutzbremsen meist sämtliche Felder in Reihe geschaltet
werden, so daß die gesamte erforderliche Erregerleistung derjenigen eines einzelnen
Motors entspricht. Aber auch bei vielmotorigen Fahrzeugen bringt die neue Schaltung
eine wesentliche Verbesserung, und es können mit ihr ebenso große Wirkungsgrade
der Stromrückgewinnung erzielt werden, wie sie sonst nur bei Verbund- oder Reihenschlußmotoren,
die durch Umformer erregt werden, zu erreichen sind.
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Wird beim Fahren nach Beendigung des Anlassens das Motorfeld in bekannter
Weise zwecks Steigerung der Geschwindigkeit durch weitere Nebenschlußwiderstände
geschwächt, die in Abb. a mit O bezeichnet sind, so vergrößert sich im Mittel über
eine Fahrt zwischen zwei Haltestellen der in Abb. d. und 6 durch Schraffierung dargestellte
Unterschied zwischen Zunahme der Erregerverluste beim Fahren und ihrer Verminderung
beim Breiasen noch weiter.
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Bei vielen Fahrzeugen mit N utzbremsbetrieb wird auch nebenher die
Kurzschlußbremsung verwendet, beispielsweise als Gefahrbremsung. Die Motorschaltung
nach der vorliegenden Erfindung läßt sich ohne weiteres auch bei derartigen Fahrzeugen
verwenden. Der Feldschwächungswiderstand S bleibt genau wie bei der Fahrschaltung
während des Kurzschlußbrernsens der Motorfeldwicklung parallel geschaltet.
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Auch in vereinigten Kurzschluß- und Nutzbremsschaltungen, bei welchen
so lange mit reiner Kurzschlußbremsung gearbeitet wird, bis die Motorspannung die
Netzspannung überwiegt, läßt sich die Erfindung ohne weiteres verwenden. Es wird
dann in bekannter Weise eine Schaltvorrichtung vorgesehen, welche selbsttätig in
Abhängigkeit von der Spannung der Fahrmotoren den Bremskreis an das 'Netz anschaltet.
Von da ab findet sowohl Kurzschluß- als auch Nutzbremsung statt. Auch in diesem
Falle kann während der reinen Kurzschlußbremsung der Widerstand S der Motorfeldwicklung
parallel geschaltet bleiben.
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Gegen Ende der Kurzschlußbremsung kann man den Widerstand ganz oder
teilweise abschalten, so daß eine erwünschte Steigerung der Bremswirkung kurz vor
Stillstand des Fahrzeugs eintritt.