DE751754C

DE751754C - Kraftuebertragungsanlage fuer elektrisch angetriebene Zuege

Info

Publication number: DE751754C
Application number: DES125465D
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr-Ing Steinbauer; Hans Dr-Ing Kother; Paul Dr-Ing Mueller
Original assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens Corp
Priority date: 1936-12-24
Filing date: 1936-12-24
Publication date: 1952-08-21

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftübertragungsanlage für elektrisch angetriebene Züge mit einer wärmeelektrischen Stromerzeugungsanlage, in welcher der Wechsel- bzw. Drehstrom für die Fahrzeug·- motoren erzeugt wird. Bisher hat man im allgemeinen für derartige Kraftübertragungsanlagen Gleichstrom verwendet, der in bezug auf die Regelmöglichkeiten Vorteile bietet. Die Verwendung von Drehstrom bzw. Wechselstrom bietet gegenüber Gleichstrom insofern Vorteile, als es möglich ist, dieAntriebsmotoren der Fahrzeuge als einfache Induktion smotoren (K.urzischlußläufermoto>ren) auszubilden. Derartige Motoren sind aber wesentlich einfacher und billiger als die sonst verwendeten Gleichstromreihenschjußmotoren. Bei Verwendung von mehrphasigem Wechselstrom (Drehstrom) wird auch der weitere Vorteil erreicht, daß es nicht mehr erforder- ao lieh ist, den einzelnen Motoren für die Drehrichtungsumkehr Wendeschalter zuzuordnen. Ein anderer Vorteil der Verwendung von Wechsel- bzw. Drehstrom besteht darin, daß die Antriebsmotoren für eine höhere Spanliung ausgelegt werden können, als dies im allgemeinen bei Gleichstrommotoren möglich ist.

Dieser Vorteil fällt insbesondere ins Gewicht, wenn die Fahrzeuge des ganzen Zuges mit Motoren versehen sind, die von dem die Wärmekraftanlage tragenden Fahrzeug aus gespeist werden müssen.

Bei Verwendung von Wechselstrom bzw. Drehstrom ist es für die Geschwindigkeitsregelung erforderlich, wenn die Antriebsmotoren als Induktionsmotoren, insbesondere ίο Kurzschlußläufermotoren, ausgebildet sind, die Frequenz des speisenden Generators zu verändern. Es ist bekanntgeworden, die Regelung durch Änderung der Drehzahl der den Generator antreibenden Wärmekraftmaschine zu erreichen. Man erkennt leicht, daß die Regelmöglichkeiten hierbei unter Umständen nur beschränkte sind. Dies gilt inisbesondere, wenn schnell laufende Dampfturbinen vorgesehen sind, bei denen infolge des hohen Schwungmoments des Läufers die Regelung der Drehzahl unter Umständen verhältnismäßig träge ist. Vor allem ergibt sich, daß bei weitgehender Drehzahlregelung die Wärmekraftmaschine teilweise nur wenig wirtschaftlich arbeitet.

Es sind nun andere Anordnungen bereits bekanntgeworden, bei denen die erforderliche Frequenzänderung" allein auf elektrischem Wege herbeigeführt wird. Beispielsweise ist es bekanntgeworden, für die Speisung der Motoren polumschaltbar© Generatoren anzuwenden. Eine derartige Lösung ist aber deswegen wenig günstig, weil polumschaltbar© Generatoren eine verhältnismäßig verwickelte Ausbildung aufweisen. Dies gilt insbesondere dann, wenn eine Mehrzahl von Frequenzen benötigt wird, um eine größere Anzahl von Dauerfahrstufen zur Verfügung zu haben.

Die Erfindung besteht darin, daß zur Stromerzeugung zwei oder mehr in Kaskade schaltbare Asynchrongeneratoren mit verschiedener Pol zahl vorhanden sind:, die einzeln oder in verschiedener Kaskadenschaltung Ströme verschiedener Frequenzen abgeben, und daß außer der Frequenzänderung durch Umschaltung der Maschinen eine Einrichtung zur zusätzlichen Frequenzregelung vorgesehen ist, welche eine stetige Frequenzregelung der den Fahrzeugmotoren zugeführten Ströme über einen weiten Frequenzbereich gestattet. Die zusätzliche Regelung wird dabei Vorzugs- j weise mit Hilfe von Wechselstrotnmaschinen bewirkt, welche den Erregerstrom für die Generatoren liefern.

Die Kaskadenschaltung von Asynchrongeneratoren ist als solche bereits bekannt. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung können ohne weiteres einfache Asynchronmaschinen Anwendung finden. Die mit versch i edener Polzahl ausgeführten Generatoren werden während des Betriebes bei der Regelung einzeln und in Kaskade mitläufig oder gegenläufig betrieben. Zwei Generatoren mit j den Frequenzen Z₁ und f₂ können in Kaskadenschaltung die beiden Frequenzen (Z₁ + Z₂) und (Z₁ — /₂) liefern. Außerdem kann durch wahlweisen Anschluß der Motoren an einen der beiden Generatoren Strom der Frequenz Z₁ bzw. Ζ» erzeugt werden. Sind also die Maschinen SO' ausgelegt, daß sie Ströme von 40 bzw. 60 Hertz abgeben können, so können durch geeignete Schaltung der beiden Maschinen mit diesen Ströme von 20, 40. 60 und 100 Hertz für den Antrieb der Fahrmotoren erzeugt werden. Die Generatoren können als getrennte normale Typen ausgeführt oder zusammengebaut sein.

Die von den Asynchrongeneratoren gespeisten Motoren sind vorteilhafterweise mit Wirbelstromläufer bzw. Doppelstabläufer für eine höhere Frequenz ausgeführt. Die Motoren können infolgedessen mit größerem Schlupf arbeiten und ein höheres Moment abgel>en. Die Anwendung derartiger Motoren hat auch den weiteren Vorteil, daß die Leistungs-Schwankungen bei Abweichungen der Drehzahl nur unwesentlich sind.

Durch die Umschaltung der Generatoren werden zunächst die Grundfrequenzen erzeugt. Mit diesen Grundfrequenzen können die Motoren auf den Dauerfahrstufen betrieben werden. Durch die zusätzliche Frequenzregelung wird ein praktisch stetiger Übergang von der einen Grundfrequenz auf die andere Grundfrequenz erreicht. Die Zwischenregelung kann im einfachsten Fall durch Schilupfregelung mit Hilfe von regelbaren Vorsch altwiderständen im Sekundärkreis erreicht werden.

Eine· andere, vorteilhaftere Lösting 1>esteht darin, daß die Asynchronmaschinen durch besondere Erregermaschinen erregt werden. Am einfachsten ist die Anwendung einer kleinen Wecbselstromsynchronmaschine. Diese Maschine wird in den Sekundärkreis der jeweils eingeschalteten Asynchronmaschine bzw. bei Kaskadenschaltung in den Sekundärkreis der einen der in Kaskade betriebenen Maschinen eingeschaltet. Diese Schaltung bietet im Hinblick auf den Leistungsfaktor Vorteile.

Für den Antrieb des Erregermaschinensatzes kann ein beliebiger, in seiner Drehzahl regelbarer Motor vorgesehen werden. Durch Änderung der Drehzahl des Motors wird eine Regelung der Erregerfrequenz herbeigeführt. Statt einer Synchronmaschine kann auch eine Kollektormaschine als Erregermaschine Anwendung finden, deren Frequenz durch Bürstenverschiebung geregelt wird. Diese Maschine kann mit unveränderlicher Drehzahl betrieben werden.

Die zusätzliche Frequenzregelung kann unter Umständen auch dadurch bewirkt werden, daß mit Hilfe des Drehzahlverstellers der Wärmekraftmaschine, eine so weitgehende Drehzahländerung der Wärmekraftmaschine herbeigeführt wird, daß ein Übergang von der einen Grundfrequenz auf die andere Grundfrequenz ohne nennenswerte Sprünge möglich ist. Bei einer derartigen Regelung

ίο muß jedesmal beim Umschalten auf die nächsthöhere Geschwindigkeitsstufe die Maschinendrehzahl gleichzeitig auf ihren Mindestwert zurückgebracht werden. Bei Anwendung einer Zwischenregelung durch Geschwindigkeitsänderung der Verbrennungskraftmaschine wird vorteilhafterweise diie Steuereinrichtung derart ausgebildet, daß durch sie gleichzeitig die elektrische Um-. schaltung der Generatoren und die Umsteuerung der Einstellung des Drehzahlreglers bewirkt wird.

Zur Erzielung eines· stufenlosen Überganges von der einen Schaltung.der Generatoren auf die andere Schaltung kann während des Überganges die neue Erregung über Widerstände u. dgl. schon zugeschaltet werden, während die alte noch besteht. Dabei wird die anfangs vorhandene Erregung stufenweise geschwächt, die zugeschaltete Erregung allmählich verstärkt, was für die Erzielung eines· stufenlosen Überganges sehr vorteilhaft ist.

Ferner kann auch bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftübertragungseinrichtung eine Kompoundierung Anwendung finden, die ein selbsttätiges Sinken der Fahrgeschwindigkeit mit steigender Belastung herbeiführt. Zu diesem Zweck wird der den Fahrmotoren zugeleitete Strom über einen Stromtransformator geführt, dessen Sekundärstrom nach Umwandlung in einem Gleichrichter durch eine Zusatzfeldwicklung des Antriebsmotor's dies Erregergenerators geführt wird. Hierdurch wird in Abhängigkeit von. der Belastung die Drehzahl und damit Frequenz das Erregergenerators im Sinne einer Entlastung verändert. Statt dessen kann aber auch der dam Stromtransformator entnommene und gleichgerichtete Strom eine Gegenkompoundwicklung eines Hilfsgenerators durchfließen, der dien Umformermotor speist. Gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird diie Erregung der die Fahrmotoren alilein bzw. in Kaskadenschaltung speisenden Generatoren so beeinflußt, daß die an die Fahrmotoren gelieferte Spannung der Frequenz annähernd proportional ist. Ferner bietet eis erhebliche Vorteile, wenn die Spannung außerdem entsprechend der jeweiligem Belastung geändert wird, z. B. proportional dem von dien Fahrmotoren, aufgenommenen Strom.

Es ergibt sich, daß dann die Spannung dem Produkt aus Frequenz und Fahrstrom proportional wird. Mit Hilfe eines primärseitig vom Motorstrom durchflossenen Transformators kann leicht eine entsprechende-Erregung des bzw. der speisenden Generatoren erreicht werden.

Im folgenden soll die Wirkungsweise der den Gegenstand der Erfindung bildenden Einrichtung erläutert werden: Um anzufahren, stellt der Fahrzeugführer den Führerschalter auf die niedrigste Frequenz ein, gibt den Maschinen die Grunderregung und schließt den Hauptschalter, Die Fahrmotoren nehmen einen relativ kleinen Anfahrstrom auf. Soll der Strom erhöht werden, so· wird durch den Fahrzeugführer eine höhere Frequenz eingestellt. Ist die gewünschte Fahrgeschwindigkeit erreicht, so läßt der Fahrzeugführer den Fübrerschalter in der betreffenden Stellung stehen. Soll die Fahrt verlangsamt werden, so wird der Führerschalter auf eine niedrigere Stufe zurückgedreht; damit sinkt die von den Generatoren gelieferte Frequenz, die noch mit ihrer bisherigen Geschwindigkeit laufenden Motoren verringern ihre. Stromaufnahme, ja es kann sogar Stroimrüclclieferung und damit Bremsung eintreten. Die Steuerung ist also· sehr einfach. Wird der Führerscbalter aufwärts bewegt, so· beschleunigt sich der Zug, wird er abwärts bewegt, so wird der Zug gebremst. Hieraus folgt eine Fahrweise, die sich erheblich von der Fahrweise mit normalen Reihenschlußmotoren unterscheidet. Der Fahrzeugführer darf während der Fahrt den Führerschalter nicht einfach abschalten, der Zug würde andernfalls, sofort gebremst werden. Soll trotzdem aus besonderen. Gründen, z. B. infolge Ansprechens·, der Schutzschalter ausgeschaltet und später wieder eingeschaltet werden., so¹ sind besondere Vorsichtsmaßnahmen· zu empfehlen. Beim Wiedereinschalten muß die Frequenz der vorhandenen Drehzahl der Motoren angeglichen werden. Zweck- · mäßigerweise kann nach Einstellung ,der Frequenz, zunächst der Hauptschalter geschlossen und erst darauf die Erregung verstärkt werden. Um die Steuerung zu erleichtern, kann auf dem Führerschalter gleichzeitig eine Geschwindigkeitsskala angebracht werden. Der Führerschalter muß dann entsprechend der Skala sowie der am Geschwindigkeitsmesser abgelesenen Geschwindigkeit eingestellt werden.

Will man das Wiedereinschalten nicht der Geschicklichkeit und Aufmerksamkeit des Fahrzeugfübrers überlassen, so muß ein falsches Schalten, durch ein besonderes Relais verhindert werden, das zweckmäßigerweise ■' auf dien Frequenzunterschied anspricht. Da

die nicht an das Netz angeschlossenen Motoren keine Spannung haben, wird an ihrer Stelle ein normaler kleiner Taktgeber, etwa mit permanentem Magneten, benutzt, der mit einem: der Fahrmotoren bzw. einer Fahrzeugachse gekuppelt ist. Die Generatorfrequenz und die Frequenz dieses Taktgebers werden verglichen. Das weitere Verfahren ist ähnlich wie beim Synchronisieren.

ίο Ee war bereits erwähnt worden, daß beim Herabregeln der Frequenz eine Bremsung unter Stromabgabe von den Fahrzeugmotoren an den Generator eintritt. Letzterer sucht dann die Dampfturbine bzw. Maschine anzutreiben. Diese kann jedoch keine oder nur in beschränktem Maße Energie aufnehmen. Außerdem würde auch der Drehzahlregler nicht mehr wirken, die Geschwindigkeit des Maschinensatzes also unzulässig anwachsen. Es muß also· für diesen Fall ein besonderer Stromverbraucher vorgesehen werden, etwa in Form eines größeren Belastungswiderstandes, der selbsttätig zum Generator parallel geschaltet ward, sobald Rückstrom von dem ^a5 Motor zum Generator auftritt. Gegebenenfalls können hierfür mehrere Widerstandsstufen vorgesehen werden. Schon wenn der Strom sich seinem Minimalwert nähert, kann ein Widerstand höherer Ohmzahl eingeschaltet werden. Steigt dann der Rückstrom, so werden weitere Widerstände hinzugeschaltet. Die Einschaltung dieser Widerstände kann in Abhängigkeit von Leistungsrelais erfolgen. Zum Schalten können Schütze, Nockenschaltw'erke u. dgl. benutzt werden.

Der Ohm wert, den der Widerstand haben muß, damit kein Rückstrom in den Hauptgenerator gelangt, richtet sich nach der Art der Schaltung und der Höhe der Bremsleistung. Wird, wie oben für den Motorbetrieb als zweckmäßig hingestellt ist, auch beim Bremsbetrieb die Spannung der Fahrmotoren annähernd dem Motorstrom proportional gehalten, so ist das Bremsmoment bzw. die am Radkranz wirksame Bremskraft proportional dem Produkt Spannung mal Strom, vorausgesetzt, daß die Geschwindigkeit annähernd konstant ist. Dann wird also der erforderliche Ohmwert des Bremswider-

Standes

ebenfalls konstant sein

Strom

müssen, unabhängig von der Höhe der Bremskraft. Ändert man dagegen ■ die Fahrgeschwindigkeit, so muß auch der Ohmwert etwa proportional erhöht bzw. vermindert werden. Jeder Einstellung der Geschwindigkeit bzw. Frequenz entspricht also- eine bestimmte Einstellung des Bremswiderstandes. Auch diese Regelung läßt sich noch umgehen, wenn man. für den Bremsbetrieb die Spannung mit der Fahrgeschwindigkeit bzw. Frequenz nicht annähernd proportional steigen läßt, sondern nur etwa proportional der Wurzel aus der Frequenz. Dann arbeiten die Motoren bei niedriger Geschwindigkeit mit relativ stärkerem Feld, bei hoher Geschwindigkeit mit schwächerem Feld, ungefähr so wie- Reihenschlußmotoren. Das Verhältnis

Spannung

Strom ^&

Bremskraft innerhalb einer Geschwindigkeitsstufe konstant, sondern auch für alle Stufen. Der Bremswiderstand braucht somit nicht geregelt zu werden. Natürlich kann diese Art Spannungsregelung, wenn wegen Einheitlichkeit erwünscht, auch während des Motorbetriel >es vorgesehen werden. Die Regelung der Spannung erfolgt am einfachsten mittels der Geschwindigkeitswalze des Führerschalters, indem die Grunderregung durch Vorschaltwiderstände je Stufe nach Bedarf eingestellt wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Kraftübertragungsanlage für elektrisch angetriebene Züge mit einer wärmeelektrischen Stromerzeugungsanlage, in welcher der Wechsel- bzw. Drehstrom für die Fahrzeugmotoren erzeugt wird, dadurch: gekennzeichnet, daß zur Stromerzeugung zwei oder mehr in Kaskade schaltbare Asynchrongeneratoren mit verschiedener Po-lzahl vorhanden sind, die einzeln oder in verschiedener Kaskadenschaltung Ströme verschiedener Frequenzen abgeben, und daß außer der Frequenzänderung durch Umschaltung der Maschinen eine Einrichtung zur zusätzlichen Frequenzregelung vorgesehen ist, welche eine stetige Frequenzregelung der den Fahrzeugmotoren zugeführten Ströme über einen weiten Frequenzbereich gestattet.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Frequenzregelung mit Hilfe von Wechselstrommasehinen bewirkt wird, welche den Erregerstrom für die Generatoren liefern.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch no gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Erregerstromes frei laufende Wechselstromerregermaschinen dienen, die mit regelbarer Drehzahl angetrieben werden.

4. Anlage nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Anwendung von mit konstanter Drehzahl angetriebenen Kollektormaschinen als Erregermaschinen, deren Frequenz z. B. durch Bürstenverschiebung geregelt werden kann. iao

5. Anlage nach Anspruch 1 oder den folgenden, gekennzeichnet durch die An-

wendung einer Schlupfregelung imLäuferstro-mkreis der Generatoren.

6. Anlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Asynchrongeneratoren gespeisten Antriebsmotoren mit einem Wirbelstromläufer oder Doppeilstabläufer ausgeführt sind.

7. Anlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Frequerregelung durch Drehzahlregelung der die Generatoren antreibenden Kraftmaschine erfolgt.

8. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kompoundierungse'inrichtung vorhanden ist, die bei zunehmender Belastung· ein Absinken der Drehzahl der Motoren bewirkt.

9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gelkennzeichnet, daß zum Zweck der Kompoundierung der Antriebsmotor der Erregermaschine mit einer Kompoundwicklung versehen ist, der in Abhängig·- keit vom Belasfungsstrom der Motoren über einen Stromtransformator sowie Gleichrichter der Erregerstrom zugeführt wird.

10. Anlage nach Anspruch 1 oder den folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung der allein bzw. inKaskadenschaltung betriebenen Generatoren so beeinflußt wird, daß ihre Spannung· sowohl der Frequenz wie dem Belastungsstrom der Fahrmotoren wenigstens angenähert proportional ist.

11. Anlage nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch- gekennzeichnet, daß bei Herbeiführung der neben der Generatorumschaltung vorgesehenen zusätzlichen Regelung der Drehzahlregler der Verbrennungskraftmaschine durch den Fahrschalter gesteuert wird, durch den gleichzeitig die Umschaltung der Generatoren herbeigeführt wird.

12. Anlage nach Anspruch 1 oder den folgenden, gekennzeichnet durch eine Synchronisiereinrichtung, die nach der Abschaltung der Fahrmotoren das Wiedereinschalten nur dann freigibt, wenn die Generatorfrequenz der Drehzahl der Fahrmotoren entspricht.

13. Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erreichung· einer Synchronisierung eine Wechsel strom liefernde Drehzahlmaschine vorhanden, ist.

14. Anlage nach Anspruch 1 oder den folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß bei Herabregelung der Geschwindigkeit ein Stromverbraucher, beispielsweise in Formeines Belastungswiderstandes, selbsttätig· dem Generator parallel geschaltet wird, sobald Rückstrom von den Motoren zum Generator auftritt.

15. Anlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Belastungswiderstand selbsttätig nach einem bestimmten P5 Gesetz geregelt wird.

Zur Abgrenzung des Erfindungsgegenstands vom Stand der Technik sind im Erteilungsvarfahren folgende¹ Druckschriften in Betracht gezogen worden:

Deutsche Patentschriften Nr. 355 391,
258982, 290431, 391684, 351 617;
britische Patentschrift Nr. 11 653 vom Jahre 1890;

schweizerische Patentschriften Nr. 85 325, 44282;

Niethammer, »Handbuch der Elektrotechnik«, 4.Bd., »Wechselstromerzeuger«, 2. Aufl., 1906, S. 276, 2. Abs.

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