Anordnung zur Erzeugung elektrischer Generatorbremsung bei Zügen mit Elektromotorantrieb Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum elektrodynamischen Bremsen eines elektrisch angetriebenen Zuges, welcher mit einphasigem hoch gespanntem Wechselstrom arbeitet und bei dem die Motoren entsprechend dem im schweizerischen Pa tent Nr.280056. beschriebenen Prinzip über nicht regulierbare Transformatoren mit einer über die ganze Länge des Zuges hinweggehenden Speisungs leitung verbunden sind;
dieser Speisungsleitung wird gesteuerter Strom von einem einstellbaren Primär transformator zugeführt, der in dem Zuge unterge bracht ist und seinerseits mit einer Quelle eines Ein phasen-Wechselstromes von konstanter Spannung verbunden ist.
Für die bisherige technische Entwicklung ist es eine allgemein angenommene Ansicht, dass der elek trische Betrieb für einen starken Vorortverkehr mit mehreren Wagen, die von dem vordersten, den Wagenführer aufnehmenden Wagen des Zuges fern gesteuert werden, beispielsweise für den Untergrund bahnverkehr in grösseren Städten, für das elektrische übertragungssystem hochgespannter Gleichstrom, welcher gewöhnlich mit 600-900 Volt arbeitet, vorbehalten ist. Das Einphasensystem, welches ge wöhnlich mit ungefähr 15 000 Volt Leitungsspan nung arbeitet, ist entsprechend der allgemein ange nommenen Ansicht besonders für einen Betrieb über lange Strecken mit langen Speisungsleitungsabstän- den geeignet.
Die Entwicklung des Betriebsmaterials, beispiels weise bei Untergrundbahnen, hat gezeigt, dass eine sehr grosse Anzahl und vorzugsweise alle Achsen des Zuges angetrieben werden müssen, um es möglich zu machen, den immer zunehmenden Anforderungen an eine schnelle Beschleunigung und eine hohe Durch schnittsgeschwindigkeit Rechnung zu tragen.
Die hohe Geschwindigkeit bringt aber das Problem, die mechanische Abnutzung an den Bremsen zu verrin gern, welche bisher sehr grosse Instandhaltungskosten erforderte und einen beträchtlichen Nachteil bedingte, unter anderem wegen der Tatsache, dass merkbare Mengen von Bremsstaub, die bei einem solchen star ken Ortsverkehr auftreten, ein allmähliches Durch dringen der Wagen, Stationen und Leitungen ver ursachen, und wenn ferner eine Mischung mit Textil staub erfolgt, so bildet sich ein explosives Verbren nungsgemisch.
Bei einem solchen modernen Ortsverkehr hat sich bisher als ein dringendes Erfordernis herausgestellt, die mechanischen Bremsen durch elektrische zu er setzen, wobei die Antriebsmotoren vorzugsweise als Gleichstromgeneratoren auf Entladungswiderstände arbeiten sollten. Die Wärme, die bei solchen Wider ständen entsteht, kann im Winter für die Erwärmung der Wagen benutzt werden. Bei einem solchen elek trischen Bremssystem brauchen die mechanischen Bremsen nur als Not- und Hilfsbremsen benutzt zu werden.
Bei einem starken Vorortverkehr mit hoher Durchschnittsgeschwindigkeit und kurzen Abständen zwischen den einzelnen Stationen bei einphasig ange triebenen Verkehrslinien ist es erwünscht, dieselbe Betriebssicherheit und Leistungsfähigkeit wie bei mit Gleichstrom betriebenen Linien zu erzielen.
Die erfindungsgemässe Anordnung ist dazu be stimmt, die elektrische Bremsung auf Zügen mit Elek tromotorantrieb zu bewirken, die aus mehreren Wagen zusammengesetzt sind, bei welchen alle Zug achsen oder doch der grössere Teil derselben ange trieben sind, und wo der Zug mit einphasigem Wech selstrom auf die Weise gespeist wird, dass bei Ener gieentnahme aus der Einphasenkraftquelle die An triebsmotoren über feste Anzapfungen an nicht regu lierbaren Nebentransformatoren an eine durch den Zug verlaufende Speisungsleitung angeschlossen sind, welcher Speisungsleitung regulierte Spannung über einen im Zug angeordneten und von dort aus regu lierbaren Haupttransformator zugeführt wird,
der auf der Primärseite an die konstante Spannung der Einphasenkraftquelle angeschlossen ist. Diese Anord nung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebs motoren zwecks elektrischer Bremsung mittels von einem Führerplatz aus gesteuerter oder ferngesteuer ter Schaltapparate elektrisch derart umschaltbar sind, dass die Motorarmaturen von den Feldwicklungen und den nicht regulierbaren Nebentransformatoren abge schaltet und statt dessen mit regulierbaren Bremswider ständen elektrisch verbunden sind, die die Aufgabe haben, die Bremsenergie zu absorbieren, die während der Bremsungsperiode von den Antriebsmotoren ab gegeben wird, welch letztere hierbei als Generatoren arbeiten,
während die Feldwicklungen der Antriebs motoren an die genannten nicht regulierbaren Neben transformatoren angeschlossen sind, das Ganze zum Zwecke, dieselben Geräte, die zur Regulierung der Spannung der durchgehenden Speisungsleitung dienen, sowohl zum Anlassen wie auch zum Bremsen ver wenden zu können.
In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt: Fig. 1 einen Zugabschnitt, der aus drei Wagen besteht.
Fig. 2 veranschaulicht schematisch einen Zug ent sprechend dem schweizerischen Patent Nr. 280056. Fig.3 veranschaulicht schematisch ein Ausfüh rungsbeispiel gemäss der Erfindung, und Fig. 4 veranschaulicht einen dazugehörigen Schalt plan, aus dem hervorgeht, wie die Umschaltung von einer Beschleunigung auf eine Bremsung vor sich geht.
In Fig. 2 besteht die Speisungsleitung, die durch den Zug hindurch verläuft, aus den Abschnitten la, Ib und 1c, welche gemäss der Fig. 1 an einem jeden Wagen angebracht sind. Diese Abschnitte sind mittels elektrischer Kopplungen 2 miteinander verbunden, die zwischen den Wagen angeordnet sind. Die Spei sungsleitung wird mit einer regulierbaren Hochspan nung von einem Transformator 3 beliefert, der in einem der Wagen untergebracht ist, wobei dieser Transformator über den Stromabnehmer 4 und den Hauptschalter 5 mit konstanter Spannung zur Erde gespeist wird. Die Spannungsregelung erfolgt durch den schematisch dargestellten Gleitkontakt 6.
Für die Fahrt des Zuges ist in einem jeden Wagen eine elektrische Motorarmatur 7 (oder eine Motor armaturengruppe) mit der zugehörigen Feldwicklung 8 (oder Feldwicklungen) vorgesehen; die Feldwick lung und Armatur sind in Reihe geschaltet und mit einem nichtregulierbaren Transformator 9 verbun den. Die Transformatoren 9 sind in den zugehörigen Abschnitten la-le zwischen der Speisungsleitung und der Erde verbunden. Da in diesem Stromkreis die Spannung in einer jeden Motorarmatur 7/8 des Zuges proportional der Spannung in der gemein- Samen Speiseleitung ist, so kann die Zugkraft des Zuges bei jeder Geschwindigkeit willkürlich durch den Gleitkontakt 6 in der einen oder andern Rich tung eingestellt werden.
Wenn die Spannung in der Speiseleitung hierbei zunimmt, so steigt alsdann der Motorstrom und demzufolge auch die Zugkraft. Wenn die Spannung statt dessen verringert wird, ist das Umgekehrte der Fall.
Wenn sich der Kontakt 6 in der Anfangsstellung befindet, beispielsweise bei der Abfahrt des Zuges aus einer Station, haben sowohl die Speiseleitung und die Antriebsmotoren Erdpotential. Wenn der Gleitkontakt 6 auf seine Endstellung zu bewegt wird, so steigt die Spannung in der Speiseleitung und den antreibenden Motoren von Null an, um in der End- stellung ihren vorher bestimmten Maximalwert von beispielsweise 3000 V in der Speisungsleitung und 300 V in den Motoren zu erreichen, wenn die Span nung in der oberirdischen Leitung 15 000 V beträgt.
In Fig. 3, bei der schematisch das Prinzip für das Bremssystem dargestellt ist, sind die elektrischen Stromkreise der Antriebsmotoren umgeschaltet wor den, und die Feldwicklungen 8 der Motoren sind mit den festen Anzapfungen der Transformatoren 9 ver bunden, wodurch eine Spannung entsteht, die kleiner als die beim Start benutzte Motorspannung ist, wäh rend die Motorarmaturen 7 elektrisch mit Entlade widerständen 10 verbunden sind, die dazu bestimmt sind, die während des Bremsens erzeugte Energie zu absorbieren. Diese Widerstände können beim Beispiel der Fig. 3 mittels der Relais 11 um eine Stufe ver ringert werden.
In Fig. 3 sind die Feldspannung und demzufolge der Feldstrom der Antriebsmotoren proportional der Spannung in der gemeinsamen Speisungsleitung. Die Armaturspannung der Motoren, welche nunmehr als Generatoren arbeiten, kann demzufolge bei jeder Ge schwindigkeit des Zuges von dem Wagenführer in derselben Weise willkürlich eingestellt werden, wie für den Motorbetrieb gemäss der Fig. 2, das heisst durch Regelung der Spannung in der gemeinsamen Speiseleitung.
Während für den Fall des Antriebes gemäss Fig. 2 eine erhöhte Spannung in der Speisungs leitung eine erhöhte Zugkraft in den Motoren bedeu tet, so bedeutet eine erhöhte Spannung in der Speise leitung in Fig. 3 eine erhöhte Bremskraft an den als Generatoren arbeitenden Motoren.
Wenn sich der Kontakt 6 im Falle des Bremsens gemäss der Fig. 3 in seiner Anfangsstellung befindet, wird keine Bremsung erzielt, da sowohl die Speise leitung als auch die Feldwicklungen Erdpotential haben. Wenn der Gleitkontakt 6 auf seine Endstellung zu verschoben wird, so nimmt die Spannung in der Speisungsleitung und in den Feldwicklungen zu, um in der Endstellung ihren Maximalwert zu erreichen, beispielsweise 3000 V in der Speisungsleitung und 75 V in den Feldwicklungen der Motoren bei 15 000 V in der oberirdischen Leitung.
Im Prinzip wird nichts geändert (Fig. 3), wenn die an die Feldwicklungen 8 angelegte Einphasen- spannung in der an sich bekannten Weise gleich gerichtet wird, wodurch im Falle des Bremsens die Feldwicklungen pulsierenden Gleichstrom erhalten, welcher alsdann statt des Einphasenwechselstromes hindurchfliesst. Dies ist schematisch in Fig. 3 durch die Gleichrichterröhre 8' angedeutet. Bei einer sol chen Anordnung werden die Motorarmaturen die Bremsenergie in Form von Gleichstrom an den Wider stand 10 abgeben, jedoch bleiben die Prinzipien für die Steuerung und Umschaltung der Stromkreise in anderer Beziehung unverändert.
Selbstverständlich kann auch bei Fahrt eine derartige Gleichrichtung des Armaturstromes der Motoren stattfinden, wobei aber ein grösserer Gleichrichter vorgesehen werden muss.
Fig. 4 veranschaulicht einen praktischen Schalt plan für ein Ausführungsbeispiel der Zugausrüstung gemäss der Erfindung; dieser Plan ist zwecks Erleich terung der Darstellung nur schematisch angegeben.
Die durch den Zug hindurchgehende Speisungs leitung ist auch hier in Abschnitte la, 1b und lc unterteilt. Innerhalb des Leistungsbereiches des Transformators 3 kann irgendeine Anzahl solcher Abschnitte zusammen verbunden werden, ohne dass sich das Prinzip ändert. Nur einer der Wagen des Zuges, nämlich derjenige in Fig. 4, welcher den Ab schnitt la trägt, wird mit konstantem Hochspannungs strom, beispielsweise von der oberirdischen Leitung oder von irgendeiner andern geeigneten Quelle, wie beispielsweise einem von dem Zug getragenen Gene rator, gespeist.
Wie aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, wird Strom von konstanter Spannung von der oberirdischen Lei tung über den Stromabnehmer 4 und den Haupt schalter 5 abgezapft, und dieser Hochspannungsstrom wird der einen Wicklung 3' des Transformators 3 zugeleitet, welcher einen dreischenkligen Eisenkern hat, von denen zwei Schenkel umwickelt und der eine Schenkel nicht umwickelt ist.
Die regulierbare Span nung, welche entsprechend den bekannten Methoden von dem Transformator über die Kontaktvorrichtung 6, die abwechselnd betätigten Umschalter 6' und den Widerstand 6" abgenommen wird, wird in dem ge zeichneten Plan nicht direkt auf die durch den Zug hindurchgehende Speisungsleitung, wie bei den Fig. 2 und 3, übertragen, sondern einer andern Transforma- torwicklung 3" zugeführt, die um einen andern Schen kel des Kernes als denjenigen gewickelt ist, der die Wicklung 3' trägt.
Die Wicklung 3" arbeitet mit einer Sekundärwicklung 9 zusammen, die um denselben Schenkel herum gewickelt ist, und diese letztgenannte Wicklung überträgt statt dessen die regulierbare Span nung auf die Speisungsleitung.
Während in den Fig.2 und 3 die regulierbare Spannung direkt in einen sogenannten Spartransfor mator abgenommen wird, wird in Fig. 4 der Strom der Speisungsleitung durch Vermittlung eines Zwi- schenstufen-Transformators 3", 9 abgenommen. Dies hat gewisse Vorzüge zur Folge, unter anderem ist der Sekundärstrom besser gegen Funkenüberschlags- Spannungen geschützt, die von der oberirdischen Lei tung kommen.
In diesem Plan hat auch die Transfor- matorwicklung 9 in dem den Stromabnehmer tragen den Wagen einen doppelten Zweck; sie liefert erstens die am Haupttransformator regulierte Spannung zu der Speisungsleitung und dient zweitens als Spar transformator in Verbindung mit dem Motorstrom kreis des zugehörigen Wagens. Andere Spartransfor- mator-Wicklungen 9 in den andern Wagen des Zuges haben lediglich den Zweck, die Spannung der Spei sungsleitung zu den Motorstromkreisen der zugehö rigen Wagen zu übertragen.
In Fig. 4 ist angenommen, dass ein jeder Wagen, welcher einen Abschnitt der Speisungsleitung trägt, mit zwei einphasigen Antriebsmotoren ausgerüstet ist, von denen jeder eine Armatur 7 und eine Feldwick lung 8 hat. Ein jeder derartiger Motor kann alsdann die beiden Achsen eines der beiden Radgestelle des Wagens antreiben, so dass demzufolge alle Wagen achsen angetrieben werden, was vorzuziehen ist. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel ist weiterhin an genommen, dass die beiden Armaturen in Reihe mit einander verbunden sind, und dass dies auch für die beiden Feldwicklungen der Fall ist.
Eine Änderung in der Bewegungsrichtung des Zuges kann durch Umsteuerung der Richtung des Stromflusses in den Motorwicklungen 8 mittels eines Umkehrschalters 16 bewirkt werden, welcher gemäss der Darstellung der Fig.4 dadurch ferngesteuert werden kann, dass man Strom einer der beiden Spulen 23 oder 24 abwechselnd zuführt.
Der Fahrstrom wird hergestellt, wenn die Relais 15 und 13 geschlossen und die Relais 12 und 14 in einem jeden Wagen geöffnet sind, und der Brems strom wird hergestellt, wenn die Relais 12, 14 und 15 geschlossen, jedoch das Relais 13 geöffnet ist. Wie beim in Fig. 3 dargestellten Beispiel ist angenommen, dass ein Teil des Bremswiderstandes 10 durch Schlie ssen des Kontaktes 11 kurzgeschlossen werden kann. Es entsteht kein grundsätzlicher Unterschied, wenn mehrere solcher Kurzschliessungsstellen angeordnet sind.
Wie bei der Darstellung der Fig. 3 kann ein Gleichrichter 8' in den Feldwicklungsstromkreis ein geschaltet sein, um den einphasigen Magnetisierungs- strom in pulsierenden. Gleichstrom umzuwandeln.
Es ist gewöhnlich erwünscht, den Zug von einem Führersitz in einem andern Wagen als den, der den Stromabnehmer trägt, anzutreiben, und Fig.4 ver anschaulicht beispielsweise eine Ausrüstung für die Fernsteuerung der verschiedenen Schalter, Relais usw. eines Zuges, welche auf dem den Abschnitt 1 b der Speiseleitung tragenden Wagen untergebracht ist; diese Ausrüstung weist eine Steuerung A und einen Regler B auf, welcher zur Umsteuerung der Bewe gungsrichtung des Zuges dient. Eine solche Aus rüstung kann natürlich auf einem jeden Wagen des Zuges angebracht sein.
Von den oben erwähnten Relais 12, 13, 14 und 15, die nur betätigt zu werden brauchen, um Fahr strom oder Bremsstrom herzustellen, ist ein jedes mit einer Arbeitsspule versehen, welche, wenn der Arbeits strom hindurchgeschickt wird, zur Folge hat, dass die zugehörigen Relais geschlossen werden. Die erwähn ten Arbeitsspulen sind in Fig. 4 mit denselben Be zugszeichen wie das zugehörige Relais, aber mit einem Strich (') entsprechend den folgenden Beispielen ver sehen: Spule 15' betätigt das Relais 15, die Spule 13' betätigt das Relais 13 usw.
Die Betätigung des Gleitkontaktes 6 und der zuge hörigen Vorrichtungen 6' und 6" kann in an sich bekannter Weise beispielsweise mittels eines Antriebs motors 19 geschehen, welcher zwei Feldwicklungen 17 und 18 hat. Wenn der Betriebsstrom der Feld wicklung 17 zugeführt wird, so bewegt der Motor 19 den Kontakt 6 von rechts nach links, das heisst für eine Verringerung der Spannung in der Speisungs leitung la-lc. Wenn der Betriebsstrom der Feld wicklung 18 zugeführt wird, so wird die umgekehrte Bewegungsrichtung erzielt und demzufolge die Span nung in der Speisungsleitung erhöht.
In den beiden Endstellungen wird der Gleitkontakt 6 mechanisch angehalten.
Der Betriebsstrom wird in Fig. 4 durch eine oder mehrere Batterien 20 zugeführt. Die Arbeitsimpulse gehen durch die Drähte 25-33 hindurch, die sich über die ganze Zuglänge erstrecken. Die beschriebene Anordnung funktioniert in Verbindung mit dem An treiben und Bremsen in der folgenden Weise: Nachdem der Hauptschalter 5 eingeschaltet wor den ist, wird der Bedienungshebel des Reglers B um den Winkel +,8 oder - ss bewegt, wodurch entweder die Spule 23 oder die Spule 24 Betriebsstrom über die Plus- und Minus-Drähte von der Batterie aus erhalten, und der Umkehrschalter 16 hierdurch für die gewünschte Antriebsrichtung eingestellt wird.
Zu derselben Zeit wird eine positive Spannung in der Speisungsleitung des Reglers A hergestellt, dessen Bedienungshebel zu Beginn der Ingangsetzungs- periode innerhalb des Winkels a liegt. In dieser Stel lung fliesst die positive Spannung von der Speisungs leitung des Reglers A über den Draht 26 zu der Feld wicklung 17 und zu dem Arbeitsmotor 19, der mit der negativen Leitung der Batterie verbunden ist, und dieser Arbeitsmotor 19 läuft für eine Verminderung der Spannung in der Speisungsleitung la bis 1c an.
Wenn sich somit beim Start der Gleitkontakt 6 in der falschen Stellung befinden sollte, wird er in seine Anfangslage zurückgebracht. Wenn der Bedienungs hebel des Reglers A um den Winkel + a bewegt wird, das heisst in der Richtung für eine Beschleunigung, so fliesst der Arbeitsstrom durch die Drähte 28 und 29 hindurch zu den Spulen 15' und 13', so dass die entsprechenden Relais 15 und 13 geschlossen wer den, wodurch der Anlaufstromkreis hergestellt wird. Wenn der Bedienungshebel weiter um den Winkel + a2 bewegt wird, so wird der Stromfluss durch den Motor 19 abgeschaltet,
jedoch wird dieser Stromfluss wieder hergestellt, sobald der Hebel den Winkel + a3 erreicht. Zu dieser Zeit geht aber der Strom durch den Draht 27 und die Feldwicklung 18 hindurch, wodurch der Motor den Gleitkontakt 6 nach rechts zu bewegen beginnt und die Spannung in der Spei sungsleitung la-lc demzufolge in der Geschwindig keitskopplung steigt.
Wenn der Wagenführer wünscht, die Aufwärts transformierung der Spannung in der Speisungslei tung aufzuhalten, führt er den Bedienungshebel um den Winkel + a2 zurück. Wenn er eine Abwärts transformierung der Spannung wünscht, führt er den Bedienungshebel in den Winkel + a1 zurück, um die Geschwindigkeitskopplung in dem Sektor + a zu unterbrechen.
Das System nach dem Beispiel der Fig. 4 kann durch ein Stromrelais 21 ergänzt werden, welches vor der Feldwicklung 18 eingeschaltet ist, um den Betriebsstrom zu unterbrechen und eine weitere Er höhung der Spannung in der Speisungsleitung zu ver hindern, wenn der Strom in der Motorarmatur einen gewissen einstellbaren Maximalwert überschreitet.
Wenn eine elektrische Bremsung erwünscht ist, wird der Hebel des Reglers A in den Sektor a zurück gebracht und alsdann um den Winkel - a1 weiter bewegt, wodurch die Relais 12, 14 und 15 durch Vermittlung der zugehörigen Arbeitsspulen einge schaltet werden, so dass der Bremsstromkreis herge stellt wird. Befindet sich der Bedienungshebel inner halb des Winkels - a2, so wird der Strom zu dem Motor 19 abgeschaltet und dann wieder eingeschaltet, wenn der Hebel den Winkel - a3 erreicht.
Zu dieser Zeit fliesst alsdann der Betriebsstrom durch die Feld wicklung 18, um den Gleitkontakt 6 weiterzubewegen, wodurch die Spannung in der Speisungsleitung<I>1 a-1 c</I> für die Bremskopplung steigt, es sei denn, dass sie ebenso wie bei der Geschwindigkeitskopplung durch das Begrenzungsrelais 21 aufgehalten wird. Dieses Relais kann, wenn dies erwünscht ist, so eingestellt werden, dass es bei einem andern Stromwert unter brochen wird, wenn auf Bremsung anstatt auf Be schleunigung eingestellt ist. Diese Möglichkeit ist in Fig.4 nicht dargestellt. Wenn der Bedienungshebel weiter um den Winkel - a4 bewegt wird, wird das Relais 11 mittels der zugehörigen Spule 11' geschlos sen und alsdann wird ein Teil des Widerstandes 10 in einem jeden Wagen des Zuges kurzgeschlossen.
Die Steuerung für das Bremsen ist somit im Prinzip dieselbe wie für die Geschwindigkeitserhöhung, wenn auch der Bedienungshebel in die negativen Sektoren des Reglers A bewegt wird.
In Fig. 4 sind alle Transformatoren 3 und 9 da durch geerdet, dass sie einen elektrischen Kontakt mit den Schienen erhalten.