Die elektrischen Ausrüstungen der Gleichstrombahnen einschließlich der Fahrleitungen

324 Pages·1931·14.298 MB·German

by  Dr.-Ing. Th. Buchhold, Dipl.-Ing. F. Trawnik (auth.)

Die elektrischen Ausrustungen
der Gleichstrombahnen
einschliefilich der Fahrleitungen
Von
Dr.-Ing. Th. Buchhold und Dipl.-Ing. F. Trawnik
Oberingenieure der Fa. Brown, Boveri & Cie. A.-G., Mannheim
Mit 267 Textabbildungen
Berlin
Verlag von Julius Springer
1931
ISBN-13: 978-3-642-89467-1 e-ISBN-13: 978-3-642-91323-5
DOI:I0.I007/ 978-3-642-91323-5
Alle Rechte, insbesondere das der Dbersetzung
in fremde Sprachen, vorbehalten.
Copyright 1931 by Julius Springer in Berlin.
Sof'tcover reprint of the hardcover 1s t edition 1931
Vorwort.
Die Aufgabe, die bei der Bearbeitung dieses Buches gelOst werden
sollte, war, in gedrangter und physikalisch anschaulicher Form aIle
diejenigen Grundlagen zusammenzustellen, die fiir das Verstandnis der
Eigenschaften, der Wirkungsweise und Bemessung der elektrischen Aus
riistungen von Gleichstrombahnen erforderlich sind. Einer Anregung
des Verlages folgend wurde auBerdem eine geschlossene Behandlung der
Eigenschaften und der Berechnung von Fahrleitungen beigefiigt. Da
neuerdings der Oberleitungsomnibus und auch der Compoundmotor in
der Fachliteratur oft diskutiert werden, wurde auch ihre Behandlung
aufgenommen.
Urn den Buchpreis in erschwinglichen Grenzen zu halten, durfte ein
bestimmter Umfang nicht iiberschritten werden, was eine Reihe von
Beschrankungen notwendig machte. So beziehen sich die behandelten
Ausriistungen in erster Linie auf Fahrzeuge mittlerer Leistung, also vor
nehmlich StraBen-, Industrie- und Dberlandbahnen, wahrend die Gleich
strom-Vollbahnlokomotive, obwohl die gebrachten Unterlagen auch fiir
sie gelten, nicht im einzelnen behandelt ist. Wir glaubten schon des
halb auf ihre Detailbeschreibung verzichten zu konnen, weil sie von
anderer Seite bereits behandelt ist und sie auBerdem in Deutschland,
wo bei Vollbahnen das Wechselstromsystem angewandt wird, weniger
im Brennpunkt des Interesses steht. Es war ferner nicht beabsichtigt,
von jedem Ausriistungsteil die Fiille der moglichen Ausfiihrungsformen
zu besprechen, sondern es wurde angestrebt - oft nur an einem Bei
spiel-die typischen Haupteigenschaften zu zeigen. Es sei erwahnt, daB
die Abbildungen von Firmenfabrikaten keineswegs als Hinweis darauf
aufzufassen sind, daB das dargestellte Material nur, oder in besonderer
Giite, von der betreffenden Firma hergestellt wird, sondern die Auswahl
geschah ausschlieBlich nach dem Grade der Anschaulichkeit der zur Ver
fUgung stehenden Bilder. Ausriistungsteile, die jedem Elektrotechniker
gelaufig sind, wie Drehschalter, Sicherungen, Kabel usw., glaubten wir
von einer besonderen Erorterung ausschlie13en zu konnen.
Allen Stellen, die uns durch Dberlassung von Bildern und Zeichnungs
material unterstiitzten, danken wir bei dieser Gelegenheit. Weiterhin
danken wir der Verlagsbuchhandlung fUr ihr jederzeit freundliches Ein
gehen auf aIle Wiinsche und die sorgfaltige Arbeit.
Unsern Lesern - projektierenden Ingenieuren, Betriebsleuten und
Studierenden - hoffen wir ein Nachschlagebuch zur Verfiigung gestellt
zu haben, das sie bei der Berechnung und Betriebsfiihrung von elek
trischen Fahrzeugen unterstiitzt und ihnen vor allem Riistzeug ist bei
der Weiterarbeit an der Vervollkommnung der elektrischen Bahnen.
Mannheim, den 15. April 1931.
Tb. Buchhold. F. Trawnik.
Inhaltsverzeichnis.
Erster Teil: Fahrzeugausriistungen. Seite
Einleitung ........ . 1
I. Der Gleichstrom-Bahnmotor 2
A. Allgemeines . . . . . . . . 2
B. Schaltung und Drehrichtung 2
C. Drehzahl ....... . 4
D. Drehmoment ..... . 6
E. Charakteristische Kurven . 7
F. Verluste ....... . 8
G. Verhalten des Reihenschlu13motors bei geanderter Klemmenspannung 9
H. Verhalten des Motors mit Vorschaltwiderstand ...... . 11
J. Anderung der Motorcharakteristik bei Schwachung des Feldes 11
1. Drehzahl des feldgeschwachten Motors 14
2. Drehmoment bei Feldschwachung . 15
K. Anla13vorgang . . . . . . . . . . . 16
L. Elektrische Widerstands-Bremsung 20
M. Die elektrische Kurzschlu13bremsung . 24
N. Die Gegenstrombremsung ..... 27
O. Die Nutzbremsung des Gleichstrom-Hauptstrom-Motors 29
P. Die Rundfeuergefahr beim Bahnmotor ....... . 31
1. Die maximale Segmentspannung ist zu gro13 32
2. Die Biirsten feuern zu stark bei gleichzeitiger starker Feldver-
zerrung .................... . 33
a) Feldschwachung (Shuntung) S. 33. - b) Elektrische Kurz
schlu13bremse S.34.
Q. Erwarmungsberechnung .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1. Allgemeine Eigenschaften der Erwarmungskurve bei konstanter
Warmezufuhr. . . . . . . 35
2. Aussetzende Erwarmung .......... . 39
3. Der quadratischeMittelwert . . . . . . . . . 42
4. Temperaturberechnung bei beliebiger Warmezufuhr . 43
5. Graphische Temperaturbestimmung bei beliebiger Warmezufuhr 44
R. Die Begriffe Stunden- und Dauerleistung . . . . . . . 47
S. J!.ie zulassige Erwarmung und Priifspannung der Bahnmotoren 50
T. Uber die Bemessung von Bahnmotoren . . . . ... . . . . . 52
1. Allgemeines ..................... . 52
2. Leistung und Drehzahl bleiben konstant, die Spannung andert
sich .................. . 53
3. Leistungssteigerung durch Drehzahlerhohung . 54
4. Allgemeine Bemessungsgleichung . . . 55
U. Der konstruktive Aufbau des Bahnmotors 56
1. Allgemeiner Aufbau . 56
2. Biirstenanordnung. . 57
3. Tatzlager. . . . . . 58
4. Zahnradvorgelege und Schutzkasten 59
5. Gekapselte Motoren . . . . . . . . 59
6. Geliiftete Motoren 60
II. An trie bsfragen und Bewegungsvorgange 62
A. Ubertragung der Motorkraft auf die Triebachse 62
B. Die Verzahnungen . . . . . . . 67
1. Allgemeines ....... . 67
2. Die Evolventenverzahnung .. 68
3. Die Festigkeit der Zahnrader 73
4. Spezialverzahnungen 75
Inhaltsverzeichnis. V
Seite
C. Antriebsmiiglichkeiten . . . . . . . . 77
D. Die Bewegungsvorgange des Fahrzeuges 81
1. Mechanische Grundlagen. . . . . . 81
2. Richtlinien fiir die Auswahl der Motortype und des Ubersetzungs
verhaltnisses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3. Bestimmung der Fahrzeiten und der Belastungen . . . . . . 88
a) Rechnerisches Verfahren S.89. - b) Zeichnerisches Ver
fahren S.91. - c) Vereinfachtes Verfahren zur Berechnung
der Fahrzeiten und der Erwarmung S. 93.
E. Uber wirtschaftliche Fahrtechnik . . . . . . . . . . . . . . . 104
F. Die Achsentlastung von Triebfahrzeugen. . . . . . . . . . . . 105
a) Zweiachsiges Fahrzeug S. 106. - b) Drehgestellfahrzeug
S.107.
III. Die Schal tungen der G leichstrom-Fahrzeuge 108
A. Die Motorschaltungen 108
1. Das einmotorige Fahrzeug . . . . . . . . . 108
2. Das zweimotorige Fahrzeug . . . . . . . . 109
a) Wirtschaftliche Fahrstufen und Wirkungsgrad der Anfahrt
S. 109. - b) Normale Reihen-Parallelschaltung S. 1l0. -
c) Einzelheiten iiber die Reihen-Parallelschaltung S. 112. -
d) Bruckenschaltung S. 113. - e) Hauptstromschaltbild eines
zweimotorigen Fahrzeuges mit zwei Fuhrerstanden S. 115.
3. Das viermotorige Fahrzeug ........... 118
4. Das vielmotorige Fahrzeug allgemein . . . . . . . 121
5. Motorschaltungen zur Steuerung zweier Triebwagen 121
a) Zweiwagenschaltung mit Shuntung S.123. --.--- b) Brems
schaltung bei Zweiwagensteuerung S. 124.
B. Theorie der elektrischen Bremsschaltungen 124
C. Nutzbremsschaltungen . . . . . . 132
D. Die indirekte Steuerung . . . . . 134
1. Indirekte Fahrschaltersteuerung 135
2. Vielfachsteuerung . . 137
3. Schiitzensteuerung 139
E. Automatische Steuerung 140
F. Hilfsstromkreise . . . . 143
1. Die Beleuchtungseinrichtung 143
2. Heizung . . . . 145
3. Kompressorkreise 145
4. Liiftermotoren 146
5. MeJ3kreise 147
6. Einzelfalle . . . 147
IV. Apparate und Zubehiirteile 147
A. Stromabnehmer . . . . . . 147
1. Der Rollenstromabnehmer 147
2. Der Bugelstromabnehmer 149
3. Scherenstromabnehmer 150
4. Walzenstromabnehmer .. 154
5. Stromabnehmer fur 3. Schiene 154
6. Rundfunkstiirungen 154
B. Uberstromschalter . . 156
C. Uberspannungsschutz 160
D. Fahrschalter 160
1. Die Hauptwalze 161
2. Die Umschaltwalze 166
3. Die Bremswalze 166
4. Verriegelungsprogramm 167
5. Fahrschalterabwicklung 169
VI Inhaltsverzeichnis.
Selte
E. Anfahr- und Bremswiderstande . . . . . . . . . 173
1. Drahtwiderstande . . . . . . . . . . . . . . 173
2. GuBwiderstande. . . . . . . . . . . . . . . 179
3. Bemessung der Anfahr- und Bremswiderstande ... 180
F. Berechnung der Federaufhangung eines Tatzlagermotors . 186
G. Die Schienenbremse . . . 190
H. Die Solenoidbremse . . . 194
J. Getriebebremse . . . . . 195
K. Die Pieperbremse . . . . 199
L. Beleuchtung und Heizung 204
1. Beleuchtung . . . . . 204
2. Heizung . . . . . .. . 205
M. Die elektrischen Stromkupplungen 206
N. Optische Signaleinrichtungen . . . .. .. . 208
O. Sondereinrichtungen bei Fahrzeugen, die auf Strecken verschiedener
Spannung fahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 211
1. Motoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 211
2. Die Beleuchtungsanlage . . . . . . . . . . . . . . . .. 211
a) Halbautomaten S. 211. - b) Die Vollautomaten S. 212.
P. Kabelverlegung und Kleinmaterial 213
1. Leitungen auf dem Dache . 216
2. Leitunge'n im Wageninnern 216
3. Leitungen unter dem Wagen 218
V. Ausfuhrungsbeispiele. . . . . 219
A. Besondere Richtlinien fUr Fahrzeuge hoher Spannung . 219
B. Das einmotorige Fahrzeug . . . . . . 222
C. StraBenbahn-Fahrzeuge .. ' . . . . . . 223
D. Personentriebwagen fur Uberlandbahnen 226
E. Die Abraumlokomotive. . . . . . . . 231
F. Zahnradlokomotiven . . . . . . . . . 235
G. Der Oberleitungsomnibus (Trolley-Bus) . 236
H. Diesel- und Benzin- elektrische Fahrzeuge 240
VI. Der N e benschluBmotor 241
VII. Der Compoundmotor . . . . . . . . . . 246
Zweiter Teil: Fahrleitungen.
Einleitung . . . . . . . . . . . . . . 255
Die verschiedenen Stromzufuhrungssysteme 255
Die Oberleitungen ... . . . . . . . . . . . 258
I. Allgemeine Gesichtspunkte . . . . . . . 258
A. Ubersicht uber die wichtigsten Ausfiihrungsarten . . . . . .. 258
B. Bedingungen, denen eine einwandfreie Oberleitung geniigen muB 262
II. Bemessung der Fahrleitungen mit Riicksicht auf den Span-
n ungsa bfall. . . . . . . . . . 262
A. Die einseitig gespeiste Strecke . . . . . . . . 264
B. Die zweiseitig gespeiste Strecke . . . . . . . . 270
III. Das Temperaturverhalten der Fahrleitungen 273
A. Physikalische Grundlagen ........... 273
B. Das Temperaturverhalten der StraBenbahnleitung . 274
C. Das Temperaturverhalten der Kettenfahrleitungen . 280
1. EinfluB des Temperaturverhaltens auf das System der Ketten-
fahrleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
a) Kettenfahrleitung mit fest verlegtem Tragseil und fest ver
Iegtem Fahrdraht S. 281. - b) Kettenfahrleitung mit fest ver
legtem Tragseil und durch Gewichte nachgespanntem Fahr-
vn
Inhaltsverzeichnis.
Seite
draht S.282. - c) Kettenfahrleitungen mit durch Gewichte
nachgespanntem Fahrdraht und Tragseil S. 284. - d) Selbst
tatig regulierende Kettenfahrleitungen ohne Nachspannung
S.284.
2. Berechnung des Temperaturverhaltens von Kettenfahrleitungen 285
a) Tragseil fest verlegt und Fahrdraht nachgespannt S. 288. -
b) Kettenfahrleitungen mit fest verlegtem Fahrdraht und
Tragseil (Fahrleitung fiir Handnachspannung) S. 290.
D. Der EinfluB des Temperaturverhaltens auf den Stromabnehmerlauf 291
IV. Der EinfluB des Windabtriebes und der Kurven auf die
Fahrleitung. . . . . . . . . . . . . . . 292
A. Der Windabtrieb auf der geraden Strecke 292
1. Normale Fahrleitungen. 292
2. Windschiefe Kettenfahrleitungen . . 297
B. Fahrdrahtverlegung in Kurven . . . . . 304
C. Windabtrieb in Kurven . . . . . . . . 306
D. Windschiefe Fahrleitungen in Kurven . . . . . . . . . 307
E. Zeichnerische Darstellung von Fahrleitungen in Kurven . 308
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
Abkiirzungen.
AEG = Allgemeine Elektrizitats-Gesellschaft, Berlin.
BBC = Brown, Boveri & Cie. A.-G., Mannheim.
BEW = Bergmann Elektrizitats-Werke, A.-G., Berlin.
SSW = Siemens-Schuckertwerke A.-G., Berlin.
RWE = Rheinisch-WestfaIisches Elektrizitatswerk.
Formelzeichen.
A Schwingungsausschlag. r Motorwiderstand.
a halbe Zahl der parallelen Strom- r Ausgleichswiderstand.
r,0
zweige im Anker. Feldwiderstand.
a Zickzackfiihrung. 1· einseitig zulassiger Biigelbereich
a Abstand. r Wicklungsradius einer Feder.
b Beschleunigung. S Schwungmoment.
b Zahnbreite. S Zugspannung.
C, c Konstante. 8 Abstand des Zahnradschutzka-
c spez. Warme. stens von Schienenoberkante.
c Federkonstante. 8 Breite des ZahnfuBes.
D, d Durchmesser. 8 Windungszahl des Feldes.
E Elastizitatsmodul. 8 Weg.
E Elektromotorische Kraft. T Zeitkonstante.
e Klemmenspannung. t Zeit.
F Flache, Oberflache. t Teilung.
! Durchhang. 'U Windabtrieb.
G Gewicht, evtl. spez. it Ubersetzungsverhaltnis.
G Gleitmodul. v Geschwindigkeit.
h Zahnh6he. VI' Windkraft.
h Erhebung. VI' Zugwiderstand.
J Strom. W r Fahrwiderstand.
Ja Ankerstrom. wr spez. Fahrwiderstand.
J. Strom im NebenschluBfeld. W, Steigungswiderstand.
J Dauerstrom. ww,, spez. Steigungswiderstand.
d
J,t Stundenstrom. Feldwiderstand.
Jm quadr. Strommittel. w, Shuntwiderstand.
k Konstante. w Kombinationswiderstand.
k
k Zahl der Triebmotoren eines w spez. Kriimmungswiderstand.
k
Fahrzeuges. Z Zentrale.
k. zul. Biegungsbeanspruchung. Z Zeitkonstante.
kd zul. Drehbeanspruchung. Z Zugkraft.
k, zul. Zugbeanspruchung. z Drahtzahl am Ankerumfang.
L zugefiihrte Arbeit. z Zahnezahl.
L Entfernung. 0( Shuntungsverhaltnis.
L Spannweite. 0( linearer Ausdehnungskoeffizient
l halbe Spannweite. 0( Korrekturglied.
l Achsstand. f3 Koeffizient.
l Drahtlange. y Zahnschrage.
Md Drehmoment. e relativer Spannungsabfall.
M,m Masse. e Abweichung von Gleismitte.
N Leistung. 'YJ Wirkungsgrad.
n Drehzahl. f} Temperatur.
n Zahl der Federwindungen. u Leitfahigkeit.
p Kraft. f1 Reibungskoeffizient.
p halbe Polzahl. f1 MaBstabskoeffizient.
Q Warmemenge. n = 3,14159
e
q Querschnitt. Warmeabgabekoeffizient.
R Kurvenradius. f/> KraftfluB.
R Widerstand, Vorschaltwider f/> Durchmesser.
stande.
Erster Teil.
Fahrzeugausriistungen.
Einleitung.
Die elektrischen Ausrustungen von Fahrzeugen enthalten eine Reihe
von Grundelementen, die immer wiederkehren und die deshalb an Hand
der Abb. 1 zuniichst aufgeziihlt seien, wiihrend ihre eingehende Be
handlung in den nachstehenden Kapiteln erfolgt. Die Abb. 1 bezieht
sich auf ein Fahrzeug mit zwei Motoren und zwei Fiihrerstiinden.
Der Strom wird aus der Fahrleitung durch einen Stromabnehmer Bt
entnommen. Hinter dem Stromabnehmer befindet sich eine Funken
strecke Bl (Blitzableiter), die
mit ihrem einen Pol geerdet
.
ist und gelegentlich auftre ~
tende atmosphiirische Uber
~~_~ ~A ~
spannungen zur Erde ableiten __:__ '_ __O_ _ __
solI. Um das Eindringen sol LieN
cher Uberspannungen in die w lleizvng
Leitungen des Wagens zu ver
hindern, ist eine Drosselspule D
der gesamten Leitungsver
legung vorgeschaltet. Uber die
Drosselspule gelangt der Strom
dann zu einem oder zwei selbst
tiitigen Uberstromschaltern A
(Automaten), welche die Mo
toren abschalten, wenn die
Stromstiirke ein vorgeschrie Abb. 1. Dbersichtsschaltbild eines Triebfahrzeuges.
benes MaB ubersteigt. Sie sind
auBerdem fur Handbetiitigung eingerichtet, so daB der Fahrstrom jeder
zeit abgeschaltet werden kann. Von den Automaten wird der Strom den
Fahrschaltern Fl und F2, die durch Leitungen miteinander verbunden
sind, zugefiihrt. Die Fahrschalter stellen beim Fahren und elektrischen
Bremsen die erforderlichen Verbindungen mit den Motoren her. Es ist
auBerdem ein Widerstand W vorhanden, der beim Anfahren und elek
trischen Bremsen den Motoren Ml und M2 durch die Fahrschalter vor
geschaltet wird.
AuBer den "Hauptstromkreisen" (in der Abbildung dick gezeichnet),
die den Motorstrom fiihren, enthalten die elektrischen Fahrzeuge noch
sogenannte "Hilfsstromkreise" (in der Abbildung dunn gezeichnet), die
Buchhold-Trawnik, Gleichstrombahnen. 1
2 Der Gleichstrom-Bahnmotor.
zur Wagenbeleuchtung, zur Heizung und zu sonstigen Hilfseinrich
tungen fUhren (z. B. Kompressormotoren, Frischstrom-Schienenbremsen
usw.). Diese Hilfsstromkreise sind vor den Automaten abgezweigt und
meist durch Schmelzsicherungen gegen unzulassige Stromaufnahme ge
schutzt.
I. Der Gleichstrom-Bahnmotor.
A. Allgemeines.
1m Gleichstrombahnbetrieb hat man sowohl ReihenschluB- als auch
NebenschluBmotoren erprobt. Durchgesetzt hat sich jedoch nur der
ReihenschluBmotor. Seine Verbreitung verdankt er der Eigenschaft,
daB sein Drehmoment um so groBer wird je kleiner seine Geschwindig
keit ist. Dies ist insbesondere fUr die Anfahrt und bei Fahrt auf Stei
gungen erwiinscht. Auch fUr die Stromversorgung bringt der Reihen
schluBmotor Vorteile, da bei wechselnder Geschwindigkeit die Leistungs
schwankungen sich innerhalb ertraglicher Grenzen halten. Der Reihen
schluBmotor ist hierin giinstiger als der NebenschluBmotor, bei dem
infolge seiner starren Charakteristik (seine Geschwindigkeit ist bei allen
Drehmomenten praktisch konstant), mit groBer werdender Belastung,
also auf Steigungen die Leistungsaufnahme sehr stark wachst. 1m Bahn
betrieb bedeutet dies, daB auf Strecken mit groBen Steigungen die
Leistungsaufnahme ein Vielfaches von derjenigen in der Ebene sein kann.
Das ist gleichbedeutend mit einer auBerordentlichen Spitzenbelastung
des stromliefernden Kraftwerkes und, da die Spitzen mitbestimmend
fUr die installierte Kraftwerksleistung sind, gleichbedeutend mithoheren
Anlagekosten.
Aus diesen Grunden (und auch anderen) hat der Gleichstrom
NebenschluBmotor im Bahnbetrieb praktisch jegliche Bedeutung ver
loren und wird nur in einigen Sonderfallen verwendet, wo andere Eigen
schaften von ihm ausgenutzt werden (bei Bergbahnen mit Nutz
bremsung). Es solI deshalb in den Ausfuhrungen dieses Buches vor
wiegend nur derGleichstrom-ReihenschluBmotor behandelt werden,
da nur er bei StraBenbahnen, Uberlandbahnen und Industriebahnen
verwendet wird. Neuerdings scheint fur Spezialfalle der Compound
motor Eingang zu finden, weshalb seine Theorie anschlieBend an die
des NebenschluBmotors gebracht wird.
B. Schaltung und Drehrichtung.
Das Kennzeichen des Gleichstrom-ReihenschluBmotors ist die Hinter
einanderschaltung des Ankers und des Feldes, so daB beide vom gleichen
Strom durchflossen werden. In der Abb. 2a ist der Gleichstrom-Haupt
strommotor schematisch dargestellt. Die Punkte A und B stellen die
Zuleitungen zum Anker dar, mit E und F sind die Feldenden bezeichnet.
Zwischen Anker AB und Feld EF ist die Wendepolwicklung GH ein
geschaltet. Da es jedoch unpraktisch ist, bei Prinzipbildern die Wende
pole stets einzuzeichnen, ist es ublich, die Ankerklemmen'mit AH zu
bezeichnen (s. Abb. 2b), wobei durch diese Bezeichnung zum Ausdruck