DE246262C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Die Erfindung bezieht sich auf den Antrieb eines aus mehreren Fahrzeugen bestehenden Zuges nach dem sogenannten gemischten System durch Wärmekraftmotoren in Verbindung mit elektrischen Maschinen und Akkumulatorenbatterien. Wie bekannt, arbeitet bei dem gemischten System der Wärmemotor unter Zwischenschaltung einer magnetischen Reibungskupplung oder einer ähnlich wirkenden Kupplung, gegebenenfalls eines Zahnradgetriebes, direkt auf die Räder, während die elektrische Maschine parallel zur Batterie geschaltet wird und mit dem Wärmemotor mechanisch gekuppelt ist. Während der Wärmemotor im allgemeinen für die mittlere Leistung dimensioniert ist, dient die elektrische Maschine, als Motor wirkend, dazu, bei großen Steigungen das Drehmoment zu vergrößern, dagegen auf Gefallen, als Generator wirkend, eine Aufspeicherung von Energie zu bewirken. Bei rein elektrischem Betriebe sind nun schon verschiedene Schaltungen bekannt (z. B. von Sprague), in denen mehrere Motorfahrzeuge zu einem Zuge zusammengekuppelt und von einer Zentralstelle (Führerstande) gesteuert werden (Vielfachsteuerungen). Eine direkte Anwendung dieser verschiedenen Schaltungen auf das gemischte System ist nicht möglich, da im letzteren Falle Schwierigkeiten auftreten, die beim rein elektrischen System nicht vorhanden sind. Besitzen z. B. die einzelnen Wagenräder infolge ungleicher Abnutzung ungleiche Durchmesser oder besitzen die einzelnen Dynamos verschiedene Charakteristiken, so stellen sich eine Menge Übelstände ein, die beim rein elektrischen System bei Verwendung von Serienmotoren nicht vorhanden sind. Es kann nämlich vorkommen, daß die Batterien ungleichmäßig geladen werden, daß einzelne Batteriezellen sehr frühzeitig zerstört werden und daß das Gesamtdrehmoment des gesamten Zuges infolge ungleichmäßiger Beanspruchung der einzelnen Maschinen wesentlich reduziert wird. Ähnliche Nachteile werden auftreten, wenn die bekannten Schaltungen für Vielfachsteuerungen auf Nebenschlußmotoren angewendet würden. Sie werden beim gemischten System noch größer, und zwar aus folgenden Gründen : Hier müssen die elektrischen Maschinen in rascher Aufeinanderfolge abwechselnd als Motor und als Generator arbeiten, und es ist bekannt, daß es in solchen Fällen sehr schwer zu erreichen ist, daß sämtliche elektrische Maschinen mit gleicher Charakteristik arbeiten. Ferner arbeiten die elektrischen Maschinen für .den bei weitem größten Teil der Fahrt nicht mit stärkstem Feld, sondern bei sehr schwacher Erregung, und dabei ist die Erzielung einer gleichen Charakteristik der Dynamos beinahe unmöglich. Endlich kommt noch gegenüber dem rein elektrischen Betriebe in Betracht, daß Batterien vorhanden sind,

die abwechselnd geladen und entladen werden, und daß durch ungleiche Lade- und Entladeströme eine frühzeitige Zerstörung der Batterien möglich ist.

Gegenstand der Erfindung ist nun ein Schaltverfahren, welches obige Übelstände vermeidet und dem eigenartigen Wesen des gemischten Systems gerecht wird. Gemäß der Erfindung werden für den Lauf des Zuges die

ίο elektrischen Maschinen und die Batterien sämtlicher Wagen des Zuges in Reihe geschaltet. Hierdurch wird in erster Linie eine ungleiche Beanspruchung der einzelnen elektrischen Maschinen wie auch der einzelnen Batterien vermieden. Dieser Teil des den Gegenstand der Erfindung bildenden Schaltverfahrens ist in Fig. ι ersichtlich, wo 1 die Wärmemotoren, 2 die elektrischen Maschinen und 3 die Batterien der einzelnen Wagen bedeuten. Natürlieh kann jedes Fahrzeug eine Mehrzahl von elektrischen Maschinen und Wärmemotoren besitzen. Die Steuerung des ganzen Zuges erfolgt in bekannter Weise vom Führerwagen aus.

Es zeigt sich nun, daß sowohl beim Anlaufen der einzelnen aus Wärmemotor und elektrischen Maschinen bestehenden Gruppen, als auch beim Anlaufen des gesamten Fahrzeuges bei Einschaltung der Kupplung, durch welche die Wärmemotoren mit den Triebachsen verbunden werden, die reine Reihenschaltung von Batterien und elektrischen Maschinen verschiedene Nachteile hervorbringt. Es kann z.B. vorkommen, daß dann eine der Gruppen bereits durchgeht, während die anderen Gruppen noch stillstehen.

Nach Fig 2 sieht deshalb die Erfindung die Möglichkeit vor, außer der Reihenschaltung eine weitere Schaltung vorzunehmen, bei weleher die einzelnen Gruppen von zusammengehörigen elektrischen Maschinen und Batterien unabhängig voneinander sind, indem jede elektrische Maschine nur mit ihrer entsprechenden Batterie zusammen arbeitet. Zu diesem Zwecke sind Schalter 4 vorgesehen, die bei jeder einzelnen Gruppe einen Anschluß der elektrischen Maschinen an die zugehörige Batterie 3 gestatten, wobei die Reihenschal tungsverbindungen zwischen den einzelnen Gruppen zweckmäßig bestehen bleiben. An den Enden des Zuges sind wegen der vorhandenen Stirnverbindungen natürlich die Schalter 4 nicht nötig.

Die Einzelschaltung kommt in der Hauptsache beim Anlauf des Zuges in Anwendung. Um den Anwendungsbereich der beiden Schaltungsarten genau abzugrenzen und den Zeitpunkt des Überganges von der einen auf die andere richtig zu wählen, muß man insbesondere auf die beim gemischten System meist vorhandene schwache Felderregung und die damit verbundenen Übelstände Rücksicht nehmen. Man wird zweckmäßig die Einzelschaltung nur so lange beibehalten, als die größte Feldstärke vorhanden ist, die Schaltungsänderung also etwa bei Beginn der Geschwindigkeitsregelung durch Feldänderung der elektrischen Maschinen bewirken. '

Wird eine elektromagnetische Reibungskupplung verwendet, so wird gemäß der Erfindung die Umschaltung ungefähr im Moment der vollständigen Einschaltung der in bekannter Weise zwischen den Antriebsmaschinen und den Radachsen vorgesehenen elektromagnetischen Reibungskupplungen vorgenommen. In diesem Zeitpunkt ist die Felderregung, wie oben erwähnt, ein Maximum und eine Arbeitsweise der elektrischen Maschinen in der Hauptsache nur als Motor und der Batterie nur als Energiespender möglich.

Die Schaltung nach Fig. 2 ist demnach zweckmäßig in folgender Weise zu handhaben: Während des Anlaufens der einzelnen Motorgruppen sind die Schalter 4 geschlossen, und es arbeitet jetzt das System unter Auflösung in einzelne Gruppen in der Art, daß jede Gruppe unabhängig von den anderen für sich anläuft. Die Schalter 4 bleiben auch beim Anlaufen der einzelnen Fahrzeuge des Zuges während der Einschaltung der magnetischen Reibungskupplungen noch geschlossen. Erst nachdem die Reibungskupplungen vollständig eingeschaltet worden sind, werden bei maximaler Felderregung der elektrischen Maschinen die Schalter 4 geöffnet und somit von der Einzelschaltung auf die Reihenschaltung der elektrischen Ausrüstung des ganzen Zuges übergegangen. Die Möglichkeit einer eventuellen Verwendung der Einzelschaltung auch bei Fahrt ist natürlich damit nicht ausgeschlossen.

Durch diese Kombination von Reihen- und Einzelschaltung wird also einerseits für das Anfahren sowohl der einzelnen Gruppen wie auch des Zuges ein sicheres Anlaufen gewährleistet, andererseits für den Lauf eine ungleichmäßige Beanspruchung der Batterien und der Dynamos verhindert.

Die Reihenschaltung nach Fig. 1, bei welcher zuerst sämtliche elektrischen Maschinen und sodann sämtliche Batterien hintereinander liegen, kann dahin abgeändert werden, daß die Batterien und die Dynamos nach Fig. 3 in der Reihenschaltung abwechseln. Dadurch wird eine Verkleinerung der mittleren Spannung erzielt.

Eine Vereinfachung der Schaltanlage kann man erreichen, wenn man die elektrischen Maschinen und die Batterie jedes Fahrzeuges in eine Leitung legt und für die Rückleitung

das Wagengestell (Erde) benutzt. Um aber dabei unabhängig von der Einstellrichtung der Wagen zu sein, ist es notwendig, einen automatisch oder von Hand zu bedienenden Umschalter vorzusehen, der die elektrische Maschine und die Batterie immer in der gleichen Reihenfolge in die Schaltanordnung einführt. Fig. 4 läßt erkennen, in welcher Weise dies geschehen kann, wobei 5 den je nach der Einstellrichtung des Wagens nach Stellung I/II oder II/I umgelegten Doppelschalter bezeich-

- net. -

Will man von der Verwendung des Wagengestelles zur Rückführung des Stromes ab-.

sehen, so ist statt dessen eine besondere zweite Leitung neben der die Dynamo und Batterie enthaltenden Leitung bei jedem Wagen anzuordnen. In Fig. 5 ist eine derartige Schaltung mit zweiter Leitung 6 dargestellt, und man erkennt daraus, daß auch hier eine bestimmte Reihenfolge der Dynamos und Batterien ohne Rücksicht auf die Einstellung der Wagen gewährleistet ist.

Eine besondere Bedeutung gewinnt die gemaß der Erfindung für' den gemischten Antrieb angewendete Reihenschaltung dadurch, daß sie gestattet, einzelne oder mehrere der elektrischen Maschinen und Batterien für sich ab- und wieder zuzuschalten, wobei natürlich für eine elektrische Umgehung der abgeschalteten Teile gesorgt werden muß. Hierdurch wird eine Regelung der Geschwindigkeit in weiten Grenzen nach oben und nach unten ermöglicht, indem die Tourenzahl im Verhältnis der nicht abgeschalteten Batterien zu den nicht abgeschalteten elektrischen Maschinen (Motoren) sich ändert. Nimmt man z. B. bei Einschaltung von drei elektrischen Maschinen und drei Batterien eine Geschwindigkeit von 15 km in der Stunde an, so kann man bei Abschaltung von zwei Batterien auf eine Geschwindigkeit von 5 km und bei Abschaltung von zwei elektrischen Maschinen auf eine solche von 45 km (theoretisch) kommen, also die normale Tourenzahl nach oben und nach unten im Bereich von 1:9 abstufen, abgesehen von der normalen Geschwindigkeitsregelung durch Veränderung des Feldes der elektrischen Maschinen (Motoren), die im Bereich von 1:3 bis ι: 10 möglich ist. Selbstverständlich muß hierbei noch der Einfluß der Wärmekraftmaschine auf die Geschwindigkeit berücksichtigt werden.

Bei der, Ein- und Ausschaltung der elekirischen Maschinen und Batterien ist es nötig, jeden plötzlichen Sprung zu vermeiden und den Vorgang stetig zu gestalten. Bei den elektrischen Maschinen kann man dies durch allmähliche Feldschwächung bis auf den Wert

<5o Null und umgekehrt erreichen. Bei den Batterien kann man zu diesem Zweck eine allmähliche Ab- bzw, Zuschaltung einzelner Zellen anwenden und hierzu entweder einen von Hand bedienten Schalter (Fig. 6 rechts) oder einen Hilfsmotor benutzen. Der Hilfsmotor wird vorteilhaft so ausgebildet, daß er in beiden Richtungen arbeitet und derart von der Stromstärke abhängig ist, daß ein allzu schnelles Anwachsen oder Abnehmen der Spannung nicht möglich ist. Statt der Zellenschaltung läßt sich die Einführung einer Batterie in den geschlossenen Stromkreis auch in der Weise vornehmen, daß man in Reihe mit ihr einen ihre Spannung aufzehrenden Widerstand 7 (Fig. 6 links) anordnet und diesen Widerstand in Reihe mit der Batterie an die beiden Pole eines sie in seiner Schlußlage kurz schließenden Schalters 8 legt. Bei der Einschaltung wird zuerst der Schalter 8 geöffnet und dann durch allmähliches Abschalten des Widerstandes 7 die Batterie in den vorhandenen geschlossenen Stromkreis eingeführt. Das Abschalten der Batterie erfolgt in umgekehrtem Sinne, indem zuerst der Widerstand 7 allmählich eingeschaltet und dann der Schalter 8 eingelegt wird. Dabei kann, ebenso wie bei der Spannungsregelung, durch Zu- und Abschalten von Zellen die Widerstandsein- und -abschaltung von der Stromstärke abhängig gemacht werden, um auch hier ein zu schnelles Verändern der Spannung auszuschließen.

Wie bereits erwähnt, wird die Steuerung der. für die einzelnen Schaltmaßnahmen notwendigen Schalter, Hilfsmotoren u. dgl. von einer Zentralstelle aus in bekannter Weise bewirkt. Fig. 7 zeigt diese Steuerungsart an Hand eines vollständigen Schemas einer Einzelserienschaltung gemäß der Erfindung für einen Zug von zwei Wagen. Die elektrische Verbindung der Wagen ist hier mit zwei Starkstromleitungen I, II und vier Schwachstromdrähten ι, 2, 3 und 4 bewirkt. In den Starkstromleitungen liegen die Batterien E, die Anker D der elektrischen Maschinen und die Wicklungen R der Regelungsorgane für die Brennstoffzuführung der Wärmekraftmotoren M. Die Verriegelung der Leitungen I, II an den Zugenden wird zweckmäßig von Hand besorgt. Die Schwachstromleitungen empfangen ihren Strom von der Batterie des führenden Wagens und speisen in Parallelschaltung die Erregerwicklungen F der elektrischen Maschinen, die magnetischen Kupplungen K, die Umkehrsteuerung 5 des Gasmotors M, die Zündung Z und die einzelnen Schaltmagnete der Zugsteuerung. Die Schaltmagnete A_n dienen zur Herstellung der Einzelschaltung von Dynamos und zugehöriger Batterie, die Magnete A₁ bzw. A₂ zur Einschaltung des Ankers D in die Starkstromleitung II und zur Ingangsetzung der

magnetischen Umkehrsteuerung S der Wärmemotoren entsprechend der einen bzw. anderen Fahrtrichtung und die Magnete A₁, zum Kurzschluß des im Ankerstromkreise D lie-

.5 genden Vorschaltwiderstandes V. Die an den ■ beiden Zugenden vorgesehenen Köntroller C₁ bzw. C₂ für die Regelung der Zugsteuerung müssen für den Zweck der Erfindung hinsichtlich ihrer Kontaktfelder β und s in besönderer Weise ausgebildet werden.

Da für den Leerlauf der Elektromotoren und auch für das Anfahren des Zuges die Einzelschaltung der zusammengehörigen elektrischen Maschinen und Batterien anzuwenden ist, so wird die Erregung der Magnete A_n für die Einzelschaltung also gleich beim ersten Schaltschritt des Kontrollers erfolgen müssen, gleichzeitig mit der Einschaltung der Feldwicklungen und der Anker der Motoren. Beim ersten Schaltschritt z. B. des linken Kontrollers C₁ werden also die Magnete A_n den Zug hinsichtlich der Arbeitsströme in zwei voneinander unabhängige Einzelgruppen auflösen, ohne daß die Reihenschaltungsverbindungen zwischen den Wagen aufgehoben werden (Schaltung nach Fig. 2). Gleichzeitig legen die Magnete A₁ die Anker D der Motoren der Fahrtrichtung entsprechend an die zugehörige Batterie und bringen die Steuerung S zur Wirkung. Das Anlaufen der einzelnen Gruppen von Wärmemotor und elektrischer Maschine vollzieht sich somit in vollkommener Unabhängigkeit voneinander.

Diese Unabhängigkeit ist ebenso wichtig für den Anlauf des ganzen Zuges. Die Erregung der Magnete A_n muß also während der allmählichen Einschaltung der elektromagnetischen Reibungskupplung K, welche durch stufenweise Kurzschließung der Widerstände r^ erfolgt, beibehalten werden. Wie bereits bei Erläuterung der Fig. 2 auseinandergesetzt, wird der Moment des Überganges von der Einzelschaltung auf die Reihenschaltung so gewählt, daß die elektrische Maschine mit maximaler Felderregung arbeitet. Das Kontaktfeld s des Kontrollers ist nun in Fig. 7 so gestaltet, daß — vgl. die. strichpunktierte Stellung 5 — die Feldregelungswiderstände //■ noch kurz geschlossen und die Vorschaltwiderstände r;_; der Kupplung K noch nicht vollständig ausgeschaltet sind, wenn die Magnete A₁₁ abgeschaltet werden.

Bei den weiteren Schaltschritten, welche nun in reiner Reihenschaltung der elektrischen Maschinen D und Batterien E der beiden Wagen vor sich gehen, erfolgt zunächst die vollständige Einschaltung der magnetischen Kupplung durch Ausschluß des letzten Vorschaltwiderstandes /Tu und dann die Regelung der Geschwindigkeit der Elektromotoren durch Feldschwächung mittels der Widerstände rf. Diese Widerstände sind natürlich bei zwei Wagen so-zu bemessen, daß der gleichen Stellung des Kontrollerhebels bei zwei Wagen derselbe Erregerstrom entspricht wie bei einem Wagen. .

' Selbstverständlich ist die Zahl der Wagen, welche in der Art des Schemas Fig. 7 zusammengestellt werden können, beliebig.

Claims (5)

70 Patent-An Sprüche:

1. Schaltverfahren für Züge mit gemischtem Antrieb durch Wärmekraftmaschinen und elektrische Maschinen, die abwechselnd als Motoren und Generatoren arbeiten, in Verbindung mit Akkumulatorenbatterien, dadurch gekennzeichnet, daß für den Leeranlauf der einzelnen Gruppen von Wärmemotoren und elektrischen Maschinen und für das Anlaufen der einzelnen Fahrzeuge des ganzen Zuges die elektrischen Maschinen und Batterien jedes Motorfahrzeuges als geschlossene Gruppen für sich geschaltet, für die Fahrt aber die elektrischen Maschinen und Batterien des ganzen Zuges in eine Reihe gelegt werden und der Übergang von der ersten auf die zweite Schaltung etwa bei Beginn der Geschwindigkeitsregelung durch Feldschwächung der elektrischen Maschinen erfolgt.

2. Schaltverfahren nach Anspruch 1 für Züge, bei denen elektromagnetische Reibungskupplungen zwischen den Antriebsmaschinen und den Triebrädern vorgesehen sind und diese Kupplungen durch Abschaltung von Widerständen allmählich geschlossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang von der Einzelschaltung der elektrischen Maschinen und Batterien auf die Reihenschaltung etwa bei Beendigung der vollständigen Einschaltung der Kupplungen erfolgt.

3. Schaltverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Verminderung der mittleren Spannung bei der Reihenschaltung die elektrischen Maschinen und Batterien sich in der durch den Zug verlaufenden Reihe abwechseln (Fig. 3).

4. Schaltverfahren nach Anspruch 1 mit Schaltung der elektrischen Maschinen und Batterien iri eine einzige durch den Zug verlaufende Leitung und Benutzung der Wagengestelle (der Erde) als Rückleitung, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen der Enden der elektrischen Gruppe jedes Fahrzeuges mit Leitungskupplungen an den Kopfseiten des Fahrzeuges durch einen Umschalter vertauscht werden können, so daß bei jeder Einstellungsrichtung des Fahrzeuges seine elektrische Gruppe

richtig in die Gesamtschaltung eingefügt ! Zuschaltung jeder Batterie (3 in Fig. 6)

werden kann (Fig. 4). über einen mit ihr (3) in Reihe liegenden

5. Schaltverfahren nach Anspruch 1, bei Regelungswiderstand (7) allmählich bewirkt

dem zu Regelungszwecken einzelne Batte- wird, wobei der Schaltvqrgang zweckmäßig

rien ab- und zugeschaltet werden können, j von der Stromstärke abhängig gemacht

dadurch gekennzeichnet, daß die Ab- und j wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.

BERLIN. GEDRUCKf IN DER REICHSDRUCKEREI.