Antriebseinrichtung für ans einer Einphasenfahrleitung mit Mehrphaseni_nduktio_ ns- motoren angetriebene elektrische Eisenbahnen. In dem Patent Nr. 98421 ist eine Ein richtung angegeben, bei .der ein Wechsel- stromin.dukti,onsmotor durch Vermittlung eines mit Gleichstrom erregten Synchron phasenumformers gespeist wird, dessen Pri märwicklung eine so hohe Selbstinduktion besitzt, dass durch Regelung der Erregung des Phasenumformers die den Motor spei sende Sekundärspannung des Phasenumfor mers geändert werden kann,
ohne dass die Änderung der Sekundärspannung auf die Spannung des Primärstromkreises des Pha senumformers merklich rückwirkt. Wird die die Klemmenspannung des Induktionsmotors bildende Sekundärspannung des Phasenum formers bei veränderlicher Belastung derart geändert, dass das Verhältnis des Quadrates der Klemmenspannung zur jeweiligen Bela stung praktiseh gleichbleibt, so wirkt, wie dies mit Bezug auf Fig. Ja und 6 der Patent schrift Nr.
98421 erläutert worden ist, falls man die Grösse der Selbstinduktion des pri mären Stromkreises des Phasenumformers ge eignet wählt, das konstante Verhältnis des Quadrates der Klemmenspannung des 'Motors zur jeweiligen Belastung. derart auf dem Lei stungsfaktor des primären Stromkreises des Phasenumformers zurück, dass\ während im sekundären Stromkreis des Phasenumförmers eine dem guten Wirkungsgrad des Motors entsprechende verhältnismässig gröle Phasen verschiebung herrscht,
der Leistungsfaktor im primären Stromkreis über den ganzen Be_ lästungsbereich des Motors nur wenig von der Einheit abweicht. Die Aufrechterhaltung des guten Leistungsfaktors im primären Strom kreis über den ganzen Belastungsbereich des Induktionsmotors kann gemäss der in dem Patent Nr. 98421 angegebenen Einrichtung praktisch nur durch eine verhältnismässig komplizierte selbsttätige Regelung der Er rei gung des Phasenumformers erzielt werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es nun, die gleiche Wirkung, insbesondere bei Bahnen, bei denen .der Betrieb überwiegend aus Beschleunigungen und Bremsungen be steht, mit äusserst einfachen Mitteln zu er reichen.- Gemäss der Erfindung sind an den sekun dären Stromkreis eines mit seiner Primär wicklung von der Fahrleitung gespeisten und mit regelbarer Gleichstromerregung ausge rüsteten Synchronphasenumformers Mehr phaseninduktionsmotoren angeschlossen, die einen unveränderlichen sekundären Wider stand, in praktischer Ausführung vorteilhaft einen Kurzschlussanker besitzen.
Die Erfindung beruht auf folgender Er kenntnis Wird ein Induktionsmotor beispielsweise mit Kurzschlussanker an die Stromquelle an geschlossen, so nimmt der Motor während des Stillstandes einen gewissen Wattstrom auf, der verhältnismässig wenig von den Höchst wert der während der Anlassperiode auftre tenden Wattaufnahme abweicht. Die Watt aufnahme steigt mit Zunahme der Umlaufs geschwindigkeit zunächst allmählich auf den Höchstwert, worauf bei weiterer Beschleuni gung bis zu der der normalen Betriebsschlüp- fung entsprechenden Umlaufszahl die Watt aufnahme allmählich unter ihrem Anfangs wert sinkt.
In Fig. 1 zeigt die Kurve I die Änderung der Wattaufnahme des Motors während des Anlassens mit einer Klemmen spannung e1, wobei die Abszissen die Schliip- fung vom Stillstande (100 % Schlüpfung) bis zum Synchronismus (0 % Schlüpfung) Lind die Ordinaten,. die bei den verschiedenen Schlüpfungen auftretende Wattstromauf- nahme bedeuten.
Die Kurve II zeigt,den Ver lauf der Wallaufnahme während des An lassens mit einer höheren Klemmspannung e2 und die Kurve III für den Fall, dass eine noch höhere Klemmenspannung e3 an den Motor gelegt wird.
Die strichpunktierten Wagrechten I', II', III' bedeuten die Durch schnittswerte der Wattaufnahme bei den ver schiedenen Klemmenspannungen ei. bezw. e2 bezw. e3 vom Stillstand bis zur normalen Betriebsumlanfszahl. Die Berechnung ergibt, dass, wenn das Anlassen eines Induktions motors mit unverändertem Sekundärwider- stand, also eines Motors mit gurzscblussanker unter Veränderung der Klemmenspannung erfolgt,
das Verhältnis der bei einer jeden Klemmenspannung eintretenden Wattauf nahme und des Quadrates der betreffenden Spannung für den gleichen Wert der Schlüp- fung konstant ist. Dies geht aus dem Hey- land-Diagramm (Fig. 4) hervor, in welchem E die Klemmenspannung des Motors, der Vektor J" den Leerlaufstrorn und der Vektor .1k den Kurzschlussstrom, der Winkel Sck die Phasenverschiebung des Kurzschlussstromes in bezug auf die Spannung E bedeutet.
Be kanntlich ist der Kurzschlussstrom Jk zu der jeweiligen Klemmenspannung E proportio nal, so dass bei der Änderung von E sich auch Jk und damit auch der Massstab des Dia- grammes proportional zu E ändert. Infolge dessen ist Jk=aE <I>wo a</I> ein Proportiona,litätsfaktor ist. J,o ist der Wattstrom für dessen Grösse aus dem Diagramm die Gleichung J, _ Jk C09 Cok hervorgeht.
Die Wattaufnahme TV ist gleich J" # <I>E.</I> Wenn E und Jk aus den obigen Gleichungen eingesetzt werden, so ergibt sich TY= Jk cos (-rk <I>.
E= a</I> E'. cos ck woraus
EMI0002.0077
Tritt also zum Beispiel für den Wert s der Schlüpfung bei einer Klemmenspannung e1 eine Wattaufnahme W1, bei einer Klem menspannung e2 eine Wattaufnahme W, und bei der Klemmenspannung e3 eine Wattauf nahme W3 ein, so ist bei gleicher Schlüp- fung
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Ebenso ist das Verhältnis der Durch schnittswerte I', II',
III' der Wattaufnahmen in den Anlassperioden und des Quadrates der für die betreffenden Durchschnittswerte gel tenden Klemmenspannungen annähernd kon stant; das heisst:
EMI0003.0001
Da nun die Durchschnittswerte der Watt aufnahmen für die ganze Anlassperiode, also für alle Schlüpfungen vom Stillstand. bis zur normalen Betriebsumlaufsgeschwindigkeit, gelten, so ist für die ganze Anlassperiode das Verhältnis zwischen der jeweiligen Wattauf nahme des Motors und dem Quadrate der der betreffenden Wattaufnahme entsprechenden Klemmenspannung annähernd konstant.
Ist aber durch Verknüpfung eines Induk tionsmotors mit unveränderlichem Sekundär widerstand und eines mit veränderlicher Gleichstromerregung ausgerüsteten Synchron phasenumformers die Bedingung erfüllt, dass im Sekundärstromkreis des Phasenumformers das Verhältnis -der Belastung und des Quadrates der Klemmenspannung zwangs weise konstant ist, so ergibt sich, dass falls die Selbstinduktion des primären Stromkreises des Phasenumformers, wie dies im Patent Nr.
98421 mit Bezug auf Fig. 6 nachgewiesen worden ist, eine be stimmte geeignete Grösse erhält, die Phasen verschiebung im Primärstromkreis des Pha senumformers bei dessen verschiedenen Erre gungen, also bei verschiedenen Belastungen des Motors, stets gering ist, so dass der Pha- senumformer im primären Stromkreis stets mit einem hohen Leistungsfaktor arbeitet.
Diese Verhältnisse treffen ohne weiteres zwar bloss für die Anlassperiode zu. Ist aber der Motor für den Antrieb einer Bahn be stimmt, beider .die Anlass- und Bremsperioden den überwiegenden Anteil des Betriebes bil den, so kann die Anlage im Durchschnitt mit einem sehr guten Leistungsfaktor arbeiten, da ja der hohe Leistungsfaktor gerade wäh rend der Anlassperiode eintritt, während bei Erreichung der Betriebsumlaufsgeschwindig- keit, wo der Leistungsfaktor niedrig wird, die Belastung klein ist.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der neuen Antriebseinrichtung in schematischer Darstellung; Fig. 3 ist eine weitere Ausbildung der Einrichtung nach Fig. 2.
1 ist die Fahrleitung von der die im Stän der des Synchronphasenumformers 3 ange ordnete einphasige Primärwicklung 2 durch den Stromabnehmer 4 Strom erhält, während das andere Ende der Primärwicklung bei 5 geerdet ist. 6 ist die gleichfalls im Ständer untergebrachte mehrphasige Sekundärwick lung des Phasenumformers, welche den Motor 7 speist.
Die Primärwicklung 2 des Phasen umformers befindet sich an einem grösseren Ha.Ibmesser als die Sekundärwicklung, und zwischen den beiden Wicklungen sind die magnetischen Nebenschlüsse 8 vorgesehen, um die Selbstinduktion der Primärwicklung zu vergrössern,. wie dies in dem Patent Nr. 98421 mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben worden ist. 9 ist .der umlaufende Feldmagnet des Syn- clironpha.senumformers, der von dem Gleich stromerzeuger 10 seine Erregung erhält.
In dem Erregerstromkreis befindet sich ein Re gelwiderstand 11, der mittelst eines Schalt hebels 12 geändert werden kann. Mittelst des Schalters 13 kann der Motor 7 an den Sekun därstromkreis .des Phasenumformers geschal tet werden. Der Motor 7 ist ein Induktions motor, dessen Sekundärstromkreis einen un veränderlichen Widerstand besitzt, so dass der Anker 14 als Kurzschlussanker ausge führt sein kann.
Beim Anlassen wird der Schalter 13 ge schlossen.
Durch Änderung der Erregung des Pha senumformers und der hiermit verbundenen Änderung der Klemmenspannung des Motors wird die Belastung und mit der Belastung die Zugkraft des Motors während der Anlass periode infolge der dem Kurzschlussanker- motor innewohnenden Eigenschaft im Ver hältnisse zum Quadrate der Spannung gere gelt und wird infolge,des bei einem bestimm ten Wert der Selbstinduktion des Primär stromkreises des Phasenumformers bestehen den, im Patent Nr. 98421 erläuterten Zu sammenhanges die Phasenverschiebung im Primärstromkreis . des Phasenumformers über die ganze Anla.ssperiode einen geringen Wert beibehalten.
Bei der in Fig. 3 dargestellten weiteren Ausbildung erfolgt die Regelung des An lasswiderstandes 11 während der Anlass- periode selbsttätig, indem das Schaltglied 12 unter die Wirkung eines durch einen vom Belastungsstrom des Phasenumformers durch- flossenen Solenoids 15 gestellt ist, der beim Anwachsen der Stromaufnahme den Wider stand 11 allmählich kurzschliesst und beim Sinken der Stromaufnahme wieder ausschal tet,
wodurch ein sanftes Anlassen erzielt und die Erregung am Ende der Beschleunigung selbsttätig auf den günstigsten Wert einge stellt wird.
Mittelst des Fahrhebels 16 kann der Aus schlag des Schalthebels 12 und hiermit die Beschleunigung willkürlich begrenzt werden.
Ist der Motor 7 für verschiedenen- Pol zahlen umschaltbar eingerichtet, so muss un ter Umständen die Klemmenspannung der Polzahl entsprechend angepasst werden, was durch zwischen den Phasenumformer 3 und den Motor eingeschaltete, umschaltbare Wi derstände, Induktanzen oder Transformatoren 17 erzielt werden kann, die mittelst des Um schalters 13 beherrscht werden können, der auch zum Anschalten des Motors dient.
Die beschriebene Einrichtung ermöglicht den Betrieb von Bahnen mit einfachen und betriebssicheren Kurzschlussankerinduktions- motoren und dabei die Wahrung eines guten Leistungsfaktors trotz des häufigen Anlas- seis und Bremsens, wobei ausserdem das Bremsen unter Energierückspeicherung er folgen kann.
Drive device for electric railways driven by a single-phase contact line with multi-phase induction motors. In the patent no. 98421 a device is given in .der an alternating current. Dukti, onsmotor is fed through the intermediary of a DC-excited synchronous phase converter, whose primary winding has such a high self-induction that by regulating the excitation of the phase converter the secondary voltage of the phase converter supplying the motor can be changed,
without the change in the secondary voltage noticeably affecting the voltage of the primary circuit of the phase converter. If the secondary voltage of the phase converter, which forms the terminal voltage of the induction motor, is changed with a variable load in such a way that the ratio of the square of the terminal voltage to the respective load remains practically the same, then the effect is as follows with reference to Fig. Yes and 6 of Patent No.
98421 has been explained, if you choose the size of the self-induction of the primary circuit of the phase converter ge suitable, the constant ratio of the square of the terminal voltage of the 'motor to the respective load. on the power factor of the primary circuit of the phase converter in such a way that \ while in the secondary circuit of the phase converter there is a relatively large phase shift corresponding to the high efficiency of the motor,
the power factor in the primary circuit deviates only slightly from the unit over the entire load range of the motor. The maintenance of the good power factor in the primary circuit over the entire load range of the induction motor can be achieved according to the device specified in patent no. 98421 practically only by a relatively complicated automatic control of the He rei supply of the phase converter.
The present invention now makes it possible to achieve the same effect with extremely simple means, especially for railways in which the operation consists mainly of acceleration and braking. According to the invention, one with its primary is connected to the secondary circuit Winding fed by the contact line and equipped with controllable DC excitation equipped synchronous phase converter multi-phase induction motors connected, which stood an unchangeable secondary resistance, in practical execution advantageously have a short-circuit armature.
The invention is based on the following knowledge If an induction motor is connected to the power source, for example with a short-circuit armature, the motor takes on a certain watt current during standstill, which deviates relatively little from the maximum value of the watt consumption occurring during the starting period. The watt consumption initially rises gradually to the maximum value as the rotational speed increases, whereupon with further acceleration up to the number of revolutions corresponding to the normal operating slip, the watt consumption gradually falls below its initial value.
In FIG. 1, curve I shows the change in the watt consumption of the motor during starting with a terminal voltage e1, the abscissa being the slip from standstill (100% slip) to synchronism (0% slip) and the ordinates. mean the watt current consumption occurring at the various hatches.
Curve II shows the course of the wall absorption during starting with a higher terminal voltage e2 and curve III for the case that an even higher terminal voltage e3 is applied to the motor.
The dash-dotted horizontal lines I ', II', III 'mean the average values of the wattage at the various terminal voltages ei. respectively e2 or e3 from standstill to normal operating number. The calculation shows that if an induction motor is started with an unchanged secondary resistance, i.e. a motor with a short armature with a change in the terminal voltage,
the ratio of the watt consumption occurring at each terminal voltage and the square of the voltage concerned is constant for the same value of the slip. This can be seen from the Heyland diagram (FIG. 4), in which E the terminal voltage of the motor, the vector J "the no-load current and the vector .1k the short-circuit current, the angle Sck the phase shift of the short-circuit current with respect to the voltage E means.
It is known that the short-circuit current Jk is proportional to the respective terminal voltage E, so that when E changes, Jk and therefore also the scale of the diagram changes proportionally to E. As a result, Jk = aE <I> where a </I> is a proportionality factor. J, o is the watt current for the magnitude of which the equation J, _ Jk C09 Cok emerges from the diagram.
The watt consumption TV is equal to J "# <I> E. </I> If E and Jk from the above equations are used, then TY = Jk cos (-rk <I>.
E = a </I> E '. cos ck what
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If, for example, the value s of the slip occurs at a terminal voltage e1 a watt consumption W1, at a terminal voltage e2 a watt consumption W, and at the terminal voltage e3 a watt consumption W3, then with the same slip
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The ratio of the average values I ', II',
III 'of the watt recordings in the starting periods and of the square of the terminal voltages applicable to the average values in question approximately constant; this means:
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Since now the average values of the watts recorded for the entire starting period, i.e. for all hatches from standstill. up to the normal operating speed, then the ratio between the respective watt consumption of the motor and the square of the terminal voltage corresponding to the watt consumption in question is approximately constant for the entire starting period.
If, however, by linking an induction motor with an unchangeable secondary resistance and a synchronous phase converter equipped with variable direct current excitation, the condition is met that the ratio of the load and the square of the terminal voltage is necessarily constant in the secondary circuit of the phase converter, then it follows that if the Self-induction of the primary circuit of the phase converter, as described in patent no.
98421 has been proven with reference to FIG. 6, a certain suitable size is given, the phase shift in the primary circuit of the phase converter with its various energies, ie with different loads on the motor, is always small, so that the phase converter is in primary circuit always works with a high power factor.
These relationships apply without further ado only for the starting period. However, if the motor is intended to drive a train, both the starting and braking periods make up the majority of the operation, the system can on average work with a very good power factor, since the high power factor is precisely during the starting period occurs, while when the operating speed is reached, where the power factor becomes low, the load is small.
Fig. 2 shows an embodiment of the new drive device in a schematic representation; FIG. 3 is a further embodiment of the device according to FIG. 2.
1 is the contact line from which the in the stand of the synchronous phase converter 3 is arranged single-phase primary winding 2 through the pantograph 4 receives current, while the other end of the primary winding is grounded at 5. 6 is the multi-phase secondary winding of the phase converter, which is also housed in the stator and feeds the motor 7.
The primary winding 2 of the phase converter is located at a larger half than the secondary winding, and the magnetic shunts 8 are provided between the two windings in order to increase the self-induction of the primary winding. as described in Patent No. 98421 with reference to FIG. 9 is .the rotating field magnet of the Syn- clironpha.senumformers, which receives its excitation from the DC generator 10.
In the excitation circuit there is a Re gel resistance 11, which can be changed by means of a switching lever 12. By means of the switch 13, the motor 7 can be connected to the secondary circuit of the phase converter. The motor 7 is an induction motor whose secondary circuit has an invariable resistance, so that the armature 14 can be out as a short-circuit armature.
When starting the switch 13 is closed ge.
By changing the excitation of the phase converter and the associated change in the terminal voltage of the motor, the load and, with the load, the tensile force of the motor during the starting period, due to the properties inherent in the squirrel cage motor, are regulated and controlled in relation to the square of the voltage as a result of the at a certain th value of the self-induction of the primary circuit of the phase converter exist the, in the patent no. 98421 explained to the context of the phase shift in the primary circuit. of the phase converter maintain a low value over the entire starting period.
In the further embodiment shown in FIG. 3, the starting resistor 11 is controlled automatically during the starting period in that the switching element 12 is placed under the action of a solenoid 15 through which the load current of the phase converter flows and which occurs when the current consumption increases the resistor 11 gradually short-circuits and switches off again when the power consumption drops,
whereby a gentle starting is achieved and the excitation is automatically set to the most favorable value at the end of the acceleration.
Middle of the drive lever 16, the impact of the shift lever 12 and thus the acceleration can be arbitrarily limited.
If the motor 7 is set up to be switchable for different numbers of poles, the terminal voltage must be adapted accordingly to the number of poles under certain circumstances, which can be achieved by means of switchable resistors, inductances or transformers 17 connected between the phase converter 3 and the motor the order switch 13 can be mastered, which is also used to turn on the motor.
The device described enables the operation of railways with simple and operationally reliable squirrel cage induction motors while maintaining a good power factor despite frequent starting and braking, and braking can also take place with energy recovery.