Elektrisch angetriebenes Fahrzeug, dessen Fahrmotoren über Gleichrichter gespeist werden Es ist bekannt, bei mit einphasigem Wechselstrom betriebenen Fahrzeugen (Lokomotiven und Trieb wagen) die als Gleichstrommaschinen ausgebildeten Motoren (Fahrmotoren und Hilfsmaschinen) über Gleichrichter zu speisen. Bei derartigen Fahrzeugen ergeben sich infolge der einphasigen Speisung ge wisse Schwierigkeiten durch die auftretenden Ober wellen, die unter anderem durch die von ihnen her vorgerufenen Telephonstörungen unangenehm wer den.
Es ist bereits bekannt, zur Verminderung der Oberwellen und der hiervon ausgehenden Störungen Gleichstromdrosselspulen vorzusehen, die jedoch ver hältnismässig schwere Abmessungen erhalten und deren Verwendung grosse Schwierigkeiten bereitet, wenn auch bei kleinen Strömen, insbesondere bei kleinen Teilbelastungen der Hilfsmotoren, eine be friedigende Unterdrückung der Oberwellen erreicht werden soll.
Gegenstand der Erfindung ist ein elektrisch an getriebenes Fahrzeug, z. B. Lokomotive oder Trieb wagen, mit einphasig aus einem Wechselstromnetz über Gleichrichter sowie Glättungsdrosselspulen- gleichstrom gespeisten elektrischen Maschinen (Fahr motoren und Hilfsmotoren), das sich dadurch aus zeichnet, dass neben den Glättungsdrosselspulen zu sätzliche Mittel zur Unterdrückung störender Ober wellen bei kleinen Betriebsströmen vorgesehen sind. Diese zusätzlichen Mittel können in erster Linie in Kondensatoren bestehen, die zu den Glättungsdros- selspulen parallel geschaltet. werden.
Vorzugsweise werden der Kondensator und die Drosselspule hier bei derart bemessen, dass bei dem auftretenden Strom minimum Stromresonanz vorhanden ist. Ein weiteres Mittel zur Unterdrückung der Oberwellen besteht zum Beispiel darin, dass in dem Primärstromkreis des das Fahrzeug speisenden Transformators eine zusätzliche Kommutierungsdrossel vorgesehen ist, die beim Einschalten der Fahrmotoren kurzgeschlossen, dagegen beim Abschalten der Fahrmotoren und allei niger Einschaltung von Hilfsstromverbrauchern der art wirksam gemacht wird, dass auch bei kleineren '1 eilströmen der Kommutierungswinkel einen gewis sen Wert, z.
B. 20a, nicht unterschreitet. Hierdurch wird verhindert, dass unter Umständen bei kleinsten Strömen infolge der Verringerung des Kommutie- rungswinkels störende Oberwellen in dem Primär stromkreis (Fahrdraht) hervorgerufen werden.
Beim Anschluss von Hilfsmotoren, das heisst deren Kom- poundwicklung an die gleichgerichtete Spannung, kann als weiteres Mittel zur Herabsetzung der Ober wellen mittels Widerständen eine solche Beeinflus sung der Phasenlage des Erregerstromes und des An kerstromes herbeigeführt werden, dass diese um einen möglichst grossen Phasenwinkel gegeneinander ver schoben sind, um eine Herabminderung des resultie renden Motorstromes durch die zweite Harmonische auf den Nullwert zu vermeiden.
Im folgenden soll die Erfindung näher an Hand von Ausführungsbeispielen des Erfindungsgegenstan des, die in der Zeichnung dargestellt sind, erläutert werden.
Fig. 1 der Zeichnung gibt das Schaltschema für ein Wechselstromtriebfahrzeug, z. B. einen Trieb wagen, wieder, bei dem die Erfindung angewendet ist. Mit 11 ist der Fahrdraht bezeichnet, von dem über einen Transformator T die Fahrzeugmotoren 1 bis 4 gespeist werden. 13 bedeutet dabei die Primär wicklung, 14 den Eisenkern und 15 die Sekundär wicklung. Im Stromkreis der Primärwicklung ist noch eine Eisendrossel 17 mit Luftspalt wiedergegeben, deren Bedeutung später erläutert wird.
Die Sekundär klemmen<I>A</I> und<I>B</I> des Transformators, zu denen über einen Widerstand FR noch ein Kondensator FC par allel geschaltet ist, sind mit den Mittelanzapfungen der Ausgleichsdrosselspulen 9A und 9B verbunden. Die Endklemmen der beiden Ausgleichsdrosselspulen 9A und 9B sind an die Primärklemmen der Gleich richter 1A und<I>2A</I> bzw. 1B und<I>2B</I> angeschlossen. Die Sekundärklemmen der Gleichrichter sind mit einer gemeinsamen Sammelschiene L2 verbunden, so dass die Sammelschiene L2 positives Potential führt. Den Gegenpol des Gleichstromsystems bildet die mit X bezeichnete Sammelschiene, die mit der Mittel anzapfung x der Transformatorsekundärwicklung 15 verbunden ist.
Für den Antrieb des Fahrzeuges sind die Motoren 1, 2, 3, 4 vorgesehen, deren Feldwicklungen mit 1F, <I>2F, 3F</I> und 4F bezeichnet sind. Die Motoren werden in üblicher Weise mittels der Hauptschalter LS1 und LS2 an die Sammelschienen L2 bzw. X angeschlos sen. Das Anlassen und Regeln erfolgt in bekannter Weise mittels der Anfahrwiderstände RA,<I>RA'</I> sowie der Anlassschalter R 1 bis R4 und R l' bis R4'. Mit FR2 und FR4 sind die Fahrtwender bezeichnet, die eine Umkehr der Drehrichtung der Fahrmotoren er möglichen.
Die induktiven Widerstände FSX und FSX' sowie die Ohmschen Widerstände FSR und FSR' ermöglichen es, mit Hilfe der Schalter F1, F2 und F1', F2' eine Feldschwächung vorzunehmen. Eine Anzahl weiterer Gruppierungsschalter MG, MG', J und JR ermöglichen ein Anlassen und Regeln der Motoren in Serienparallelschaltung. Im einzelnen ist die Betätigung der Schalter der Schalttabelle (Fig. <I>l a)</I> zu entnehmen.
Wesentlich ist nun für die erfindungsgemässe Schaltung, dass in die Zuleitung L5, die zu der nega tiven Sammelschiene X führt, ausser einer Drossel spule<I>XI</I> ein dazu parallel angeordneter Kondensa tor C3 eingeschaltet ist. Durch einen Schalter 24 kann gegebenenfalls der Kondensator C3 abgeschal tet werden. An die Sammelschiene L2 bzw. X ist ferner ein Hilfsmotor M, beispielsweise der Antriebs motor eines Motorgenerators zum Laden einer Hilfs batterie, angeschlossen. Auch der Stromzuleitung L9 zu dem Hilfsmotor M ist eine Glättungsdrosselspule X2 vorgeschaltet, der erfindungsgemäss ein Konden sator C2 parallel geschaltet ist.
Der Motor M ist bei dem in der Schaltung wiedergegebenen Ausführungs beispiel als Verbundmotor ausgeführt und weist da her neben der Reihenschlusswicklung Ml noch eine Nebenschlusswicklung M2 auf. Diese Nebenschluss- wicklung M2 liegt einerseits direkt an der negativen Sammelschiene x, anderseits über einem Widerstand FR1 an der Zuleitung L9. 21 bedeutet noch einen weiteren kleinen Hilfsstromverbraucher, der zu dem Motor M parallel geschaltet ist. 22 ist ein weiterer Stromverbraucher grösserer Leistung (z. B. die Hei zung), der direkt an die Sammelschiene L2 -x an geschlossen ist.
Im folgenden soll die Wirkungsweise der Erfin dung näher erläutert werden.
Die Erfindung geht von der überlegung aus, dass sich die ungünstigsten Verhältnisse für die Ausbil dung von Oberwellen und damit von Telephonstö- rungen bei den kleinsten Strömen ergeben. Diese tre ten vornehmlich dann ein, wenn nur die Hilfsstrom verbraucher, beispielsweise der Motor M, mit Teil last eingeschaltet sind.
Will man nun erreichen, dass auch bei den kleinsten Teillasten durch die vor geschaltete Glättungsdrosselspule eine befriedigende Wirkung erreicht wird, so müsste beispielsweise in einer 800-V-Anlage für einen Hilfsmotor, dessen Strom sich zwischen 4 und 40 Amp. ändert, sich die Induktivität der Glättungsdrosselspule X2 entspre chend der Kurve 22 der Fig. 3 ändern. Fig. 3 gibt die Induktivität der Drosselspulenkombination in Millihenry (mH) in Abhängigkeit von dem Strom I wieder.
Wie Fig. 3 erkennen lässt, weist die Kurve 22 einen hyperbelförmigen Charakter auf. Der Verlauf der Kurve 22 entspricht einem Wert der Stromkom ponente der zweiten Harmonischen von 30 /a. des jeweiligen Gleichstromes des Motors bei jeder Last. Die angeführte Kurve ist ermittelt, indem zuerst die totale Induktivität in Millihenry errechnet wurde, welche notwendig ist, um bei 50 Perioden (entspre chend der Frequenz der zweiten Harmonischen bei Speisung aus einem Wechselstromnetz mit 25 Peri oden) den Strom der zweiten Harmonischen auf 30"/a. des Motorstromes zu halten.
Hierbei ist die geschätzte Motorinduktivität (Impedanz) bei jeder Last abgezo gen, um die eingeschaltete Induktivität der Drossel- Kondensatorkombination X2-C2 <I>zu</I> erhalten.
Man kann der Kurve 22 in Fig. 3 entnehmen, dass es beim Fehlen des Kondensators C2 notwendig sein würde, die Gleichstromdrosselspule so zu bemes sen, dass sie eine Induktivität von etwa 950 Milli- henry bei einer Gleichstrombelastung von 4 Amp. besitzt. Eine derartige Drosselspule würde eine Grösse und Abmessungen besitzen, die denen des zu schüt zenden Motors nicht nachstehen würden.
Aus Fig. 3 geht auch hervor, dass eine Gleichstromdrosselspule mit dem Verlauf der Kurve 22, dann, wenn ein Par allelkondensator nicht vorhanden ist, noch etwas unterhalb des Knies der Sättigungskurve bei dem Kleinststrom von 4 Amp. arbeiten muss. Nach der Erfindung wird es durch Parallelschaltung eines Kon- densators C2 zu den Klemmen der Gleichstromdros selspule X2 ermöglicht, diese Spule so zu bemes sen, dass sie bei kleinen Gleichströmen im Bereich von 4 bis etwa 14 Amp. im wesentlichen ungesättigt arbeitet, wie der flach verlaufende Kurventeil 23 in Fig. 3 erkennen lässt.
Bei höheren Strömen wird der Kern der Drosselspule sich zu sättigen beginnen, so dass die Induktivität der Drosselspule angenähert der Induktivität der theoretischen Kurve 22 für alle Gleichstromwerte zwischen 14 und 40 Amp. ent spricht. Eine solche Drosselspule würde im Mini mum im ungesättigten Zustand eine Induktivität der Grössenordnung von 500 Millihenry oder etwas weni ger besitzen.
Schaltet man beispielsweise einen Kon densator C2 von etwa 231/2 Mikrofarad parallel zu einer Drosselspule mit einer Charakteristik entspre chend Kurve 23, so wird hierdurch die Induktivität der Parallelkombination X2-C2 in Annäherung auf die Werte der Induktivität gebracht, die der theo retisch gerechneten Kurve 22 entsprechen. Hier durch ergibt sich eine beträchtliche Einsparung an Kosten und Gewicht und Raum für die zu verwen denden Drosselspulen.
Wesentlich ist, dass der Kon densator C2 angenähert einen solchen Wert hat, dass Parallelresonanz mit der Induktivität der Drossel spule X2 hergestellt wird, wenn der Motorstrom etwa seinen minimalen Wert hat.
üblicherweise wird die Drosselspule, um zu klei nen Abmessungen zu kommen, mit einem Eisenkern ausgeführt, der jedoch einen Luftspalt aufweisen muss. Vorzugsweise kann der Eisenkern als ein ge rades Bündel von Eisenblechen ausgeführt sein, wobei ein entsprechendes Verhältnis von Querschnitt zur Länge vorhanden ist. Der Kraftfluss verläuft hierbei durch einen verhältnismässig grossen Luftquerschnitt, wobei, bezogen auf den Kernquerschnitt, die äquiva lente Luftspaltlänge etwa 75 mm beträgt. Solche Drosselspulen werden häufig als schwingende Dros selspulen bezeichnet, weil ihre effektive Induktivität sich entsprechend der Last ändert oder mit dieser schwingt.
Abhängig von dem Sättigungsgrad ergibt sich eine Charakteristik ähnlich der einer hyperbel- förmigen Kurve, wie in Fig. 3 dargestellt ist.
Wurde im vorstehenden die erfindungsgemässe Schaltung mit einem zu der Glättungsdrosselspule parallel geschalteten Kondensator für den Hilfsmotor M erläutert, so ergibt sich grundsätzlich Analoges für den Stromkreis der Fahrmotoren 1 bis 4. Im all gemeinen bereiten jedoch die Fahrmotorenstrom- kreise weniger Schwierigkeiten, wenn das Verhältnis von Anfahrstrom zu Höchststrom den Wert 1 : 4 überschreitet. In diesem Falle kann von der Ein schaltung des Kondensators C3 unter Umständen abgesehen werden.
Ist jedoch das Verhältnis der Stromwerte ein ungünstigeres, so kann die Verwen dung der erfindungsgemässen Schaltung mit einem Parallelkondensator C3 zu der Drosselspule<I>XI</I> eben falls erhebliche Vorteile bieten.
Eine weitere Verbesserung bezüglich der Beseiti gung der störenden Wirkungen von Oberwellen kann bei Verwendung von Verbund- oder auch Neben schlussmotoren durch die in der untern Hälfte der Fig. 1 ersichtliche Schaltung der Nebenschlusswick- lung erreicht werden. Diese Schaltung empfiehlt sich besonders für solche Fälle, in denen die Drosselspule X2 entweder mit oder ohne Parallelkondensator C2 unzureichend ist, den Strom der zweiten Harmoni schen auf dem gewünschten Wert zu halten, sobald der Motorstrom auf den kleinstmöglichen Wert ab sinkt.
Eine solche Bedingung würde sich beispiels weise ergeben, wenn der Kondensator C2 entweder weggelassen oder im Betrieb zerstört ist, so dass er die im vorstehenden erläuterte Wirkung nicht hervor rufen kann. Die wiedergegebene Schaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Nebenschlusswicklung M2 über den Widerstand FR I an den Leiter L9 ange schlossen ist, wobei durch den Widerstand FR I das Verhalten des Stromkreises bestimmt wird.
Die Wir- kungsweise dieser Schaltung ist in Fig. 2 der Zeich nung näher wiedergegeben. IDC bedeutet den Gleich strom, beispielsweise von 8 Amp., der sich aus dem Ankerstrom von 4 Amp. und dem Feldstrom von 4 Amp. zusammensetzt. In dem Feldstromkreis tritt die zweite Harmonische 25 auf, die infolge Einschal tung des Widerstandes FR 1 gegenüber der zweiten Harmonischen des Ankerkreises 26 um praktisch 90 verschoben ist. Die resultierende Oberwelle ist mit 28 bezeichnet.
Es ist einleuchtend, dass bei Verzicht auf den Widerstand FR I die beiden Kurven 25 und 26 praktisch in Phasenübereinstimmung kommen würden, was zur Folge hätte, dass der Gesamtstrom angenähert den Wert Null erreichen würde. Eine gleich ungünstige Wirkung würde eintreten, wenn wie bekannt die Nebenschlusswicklung N12 von einer Batterie gespeist würde. Auch in diesem Falle könnte die Stromkurve annähernd den Wert Null erreichen und ein Erlöschen der Gleichrichter eintreten, was zu empfindlichen Störungen Veranlassung geben würde.
Ein weiteres zusätzliches Mittel zur Unterdrük- küng störender Oberwellen besteht darin, dass, wie schon angedeutet war, in den Stromkreis der Prirnär- wicklung 13 des Transformators T die Kommutie- rungsdrossel 17 eingeschaltet wird, sobald die Fahr motoren abgeschaltet sind und von den Hilfsverbrau- chern nur noch kleine Teilströme aufgenommen wer den.
Die Kommutierungsdrossel 17, die ebenfalls einen Kern mit Luftspalt aufweist, ist so bemessen, dass sie auf jeden Fall auch bei den kleinsten auftre tenden Strömen eine ausreichende Kommutierungs- zeit zur Folge hat. Durch diese Massnahme wird unmöglich gemacht, dass infolge Verkleinerung des KommutierungswinkeL störende Oberwellen entste hen. Vorteilhafterweise kann das Ein- und Ausschal ten der Kommutierungsdrosselspule 17 selbsttätig erfolgen.
Eine solche selbsttätige Einschaltung kann durch Hilfskontakte an den Hauptschaltern LSl und LS2 oder durch in Abhängigkeit von diesen Haupt schaltern gesteuerte Schütze erfolgen. Selbstverständ lich ist es auch möglich, unmittelbar durch den Fahr schalter die Kommutierungsdrosselspule 17 ein- oder auszuschalten.