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Verfahren zum Betrieb einer Gleichstrommaschine Im Zusammenhang mit der Entwicklung und Vervollkommnung steuerbarer Halbleiterelemente sind bereits Schaltungen und Verfahren zum Betrieb elektrischer Maschinen und darüber hinaus allgemein zur Regelung eines elektrischen Energieflusses vorgeschlagen worden, deren Arbeitsweise darin besteht, Energieimpulse zu erzeugen. Dabei kann z.B. von einem Gleichstrom ausgegangen werden, der nach einer wählbaren Gesetzmässigkeit durch ein steuerbares Halbleiterelement unterbrochen wird.
Das Verhältnis der Zeit, da das steuerbare Halbleiterelement stromdurchlässig ist, zu der Zeit, da es den Energie- fluss sperrt, bestimmt die Grösse der z.B. einem Verbraucher zugeführten Energie. Eine derartige Arbeitsweise eines steuerbaren Halbleiterelementes ist auch bereits als Tastbetrieb bezeichnet worden. Wesentliches Kennzeichen derartiger Tastschaltungen ist es, dass das steuerbare Halbleiterelement in jedem Augenblick nicht nur z.B. durch einen Impuls zündbar, sondern auch mit Hilfe einer an sich bekannten Kondensatorschaltung löschbar ist.
Ein derartig beschriebenes steuerbares Halbleiterelement arbeitet in einer so genannten Tastschaltung weiterhin noch mit einer Freilaufdiode zusammen. Wesentlichen Einfluss hat ausserdem für die Tastfrequenz die Grösse der Induktivität in dem zu regelnden Stromkreis.
Auf der Grundlage derartiger angedeuteter Tast- schaltungen sind nun bereits Anordnungen für den Fahr- und den Bremsbetrieb elektrischer Fahrzeuge vorgeschlagen worden, die jedoch für jede der Betriebsarten eine besondere Tastschaltung brauchten. Andererseits sind die Kosten für ein steuerbares Starkstromhalbleiterelement erheblich, so dass es auf Grund wirtschaftlicher Überlegungen zum Ziele werden muss, dasselbe weitestgehend auszunutzen. Demzufolge bedeutet es einen gewissen Nachteil, wenn z.B. die in der Tastschaltung für den Bremsbetrieb vorgesehene Starkstromhalbleiterzelle während des Fahrbetriebes ungenutzt bleibt.
Es sind bereits Versuche gemacht worden, diesen Nachteil mit Hilfe von Umschaltungen zu vermeiden, jedoch war der bisher dafür notwendige Schaltaufwand beträchtlich. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung gibt für dieses Problem eine neue, aufwandgeringe Lösung an.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gleichstrommaschine aus einer Gleichstromquelle mit einer durch ein steuerbares, durch Kondensator- stromstoss löschbares Starkstromhalbleiterelement charakterisierten Tastschaltung. Erfindungsgemäss wird sowohl der Motor- als auch der Generatorbe- trieb mit nur einem einzigen steuerbaren, durch Kon- densatorstromstoss löschbaren Starkstromhalbleiterelementen durchgeführt.
Anhand einer Zeichnung sei ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Eine Gleichstromquelle 1 ist beispielsweise durch zwei Sammelschienen dargestellt. Dieselben können über einen Gleichrichter 2 aus einem Drehstromnetz 2 gespeist werden. Aus der Gleichstromquelle wird ein Gleichstrommotor 4 mit Energie versorgt. Der Strom fliesst dabei über ein steuerbares, durch Kondensa- torstromstoss löschbares Halbleiterelement 11 und
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über ein steuerbares Halbleiterelement 14. In der Zuleitung zu diesem Gleichstromkreis befindet sich ein schwingungsdämpfender Kondensator 5.
Die Feldwicklung der Gleichstrommaschine ist mit 6 bezeichnet. Im Fahrbetrieb ist das steuerbare Halbleiterelement, beispielsweise eine Triode, dauernd gezündet und ein zweites steuerbares Halbleiterelement 15 dauernd gesperrt. Wird nun 11 gezündet, so fliesst der Strom vom Pluspol der Gleichspannungsquelle über 11 selbst, den Motor 4, das steuerbare Halbleiterelement 14 zum Minuspol. Wird das steuerbare Halbleiterelement 11 gelöscht, so fliesst ein Freilaufstrom über eine Diode 12 und das steuerbare Halbleiterelement 14.
Erfolgt nun eine Umschaltung in den Generatorbetrieb, z.B. bei einem Fahrzeug in den Bremsbetrieb, dann bleibt das steuerbare Halbleiterelement 14 dauernd gesperrt. Beim Zünden des steuerbaren Halbleiterelementes 11 fliesst ein Kurzschlussstrom dann nach einer Feldumpolung über den Motor 4 und eine Diode 13. Wird das steuerbare Halbleiterelement 11 jetzt in den sperrenden Zustand versetzt, dann ist ein Stromkreis über die Dioden 12 und 13 geschlossen, und es findet eine Rücklieferung von Energie in die Gleichstromquelle statt.
Wenn der Fall gegeben ist, dass es sich bei der Gleichstrommaschine um ein Aggregat auf einem elektrischen Triebfahrzeug handelt, dann ist eine Rückspeisung von Energie in das Gleichstromsammel- schienensystem, z.B. Fahrdrahtleitung, nur dann möglich, wenn gleichzeitig ein anderer Gleichstromverbraucher aus diesem System Energie übernimmt. Ist diese Voraussetzung nicht erfüllt, so ist eine Nutzbremsung in der vorstehend beschriebenen Weise nicht möglich. In ihrer Folge würde sich die Spannung zwischen den Sammelschienen erhöhen.
Zwangsläufig würde sich damit ebenfalls die Spannung am Kondensator 5 vergrössern. Um in diesem Fall eine Nutzbremsung zu vermeiden, wird die vorstehend erwähnte Spannungserhöhung am Kondensator dazu benutzt, um über eine mit an sich bekannten Mitteln ausführbare Steuereinrichtung 7 ein steuerbares Halbleiterelement 15 zu zünden. Damit wird der aus der Gleichstrommaschine gelieferte Strom auf einen Bremswiderstand 8 gespeist. Dieser Bremswiderstand 8 kann in seiner Wirksamkeit durch steuerbare Halbleiterelemente verändert werden.
Die Steuerung 7 kann darüber hinaus, wie in der Zeichnung dargestellt, dazu benutzt werden, um sowohl den Motorstrom mit Hilfe eines Wandlers 9 zu erfassen und seine Grösse für die Regelung des durch Kondensa- torstromstoss löschbaren Halbleiterelementes 11 auszuwerten, als auch weiterhin dazu, die steuerbaren Halbleiterelemente 14, 15 mit Zündimpulsen zu speisen.
Der wesentliche Vorteil der vorstehend beschriebenen Erfindung gegenüber bereits vorgeschlagenen Lösungen liegt in dem sparsamen Mittelaufwand zur Durchführung des beschriebenen Betriebes.
In Weiterbildung des Verfahrens wie es vorstehend erläutert wurde, wird nun als Gleichstromquelle 1 eine Gleichstrombatterie vorgesehen. Ihr Energieinhalt ist dabei so zu bemessen, dass sie nicht nur eine Pufferfunktion übernehmen kann, d.h. zusätzlich zur Fahrdrahtspeisung beim Anfahren Energie liefern kann und dieselbe beim Bremsen zu speichern vermag, sondern dass mit ihrer Hilfe für einen Teil des üblichen Fahrbetriebes eines elektrischen Triebfahrzeuges gänzlich auf die Fahrdrahtspeisung verzichtet werden kann.
Daraus ergibt sich ein vergrös- serter Einsatzbereich für elektrische Triebfahrzeuge, die z. B. in explosiongefährdeten Strecken auf eine Fahrdrahtspeisung verzichten müssen. Derartige Problemstellungen liegen insbesondere bei Grubenlokomotiven vor. Dabei ist es unerheblich, ob das elektrische Triebfahrzeug aus einem dreiphasigen Netz, wie es die Zeichnung darstellt, oder aus einem einphasigen Netz gespeist wird.
Wie die Zeichnung es veranschaulicht, ist die Gleichstrombatterie elektrisch zwischen dem die Fahrdrahtwechselspannung gleichrichtenden Gleichrichter und der eigentlichen Tastschaltung angeordnet.
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Method for operating a direct current machine In connection with the development and improvement of controllable semiconductor elements, circuits and methods for operating electrical machines and, moreover, generally for regulating an electrical energy flow have already been proposed, the mode of operation of which is to generate energy pulses. For example, a direct current can be assumed, which is interrupted by a controllable semiconductor element according to a selectable law.
The ratio of the time when the controllable semiconductor element is current-permeable to the time when it blocks the flow of energy determines the size of the e.g. energy supplied to a consumer. Such a mode of operation of a controllable semiconductor element has already been referred to as tactile mode. An essential characteristic of such key circuits is that the controllable semiconductor element is not only e.g. can be ignited by a pulse, but can also be extinguished with the aid of a known capacitor circuit.
A controllable semiconductor element described in this way also works together with a freewheeling diode in what is known as a key circuit. The size of the inductance in the circuit to be controlled also has a significant influence on the scanning frequency.
On the basis of such indicated push-button circuits, arrangements for driving and braking of electric vehicles have already been proposed, which however required a special push-button circuit for each of the operating modes. On the other hand, the costs for a controllable high-voltage semiconductor element are considerable, so that, due to economic considerations, the goal must be to utilize it to the greatest possible extent. As a result, there is a certain disadvantage if e.g. the high-voltage semiconductor cell provided in the push-button circuit for braking operation remains unused during driving.
Attempts have already been made to avoid this disadvantage with the aid of switchovers, but the switching effort required for this up to now was considerable. The subject matter of the present invention provides a new, low-cost solution to this problem.
The invention relates to a method for operating a direct current machine from a direct current source with a pushbutton circuit characterized by a controllable high-voltage semiconductor element which can be erased by a capacitor surge. According to the invention, both the motor and the generator operation are carried out with only a single controllable high-voltage semiconductor element that can be erased by a capacitor surge.
A schematic exemplary embodiment of the invention will be explained with the aid of a drawing. A direct current source 1 is represented by two bus bars, for example. The same can be fed from a three-phase network 2 via a rectifier 2. A direct current motor 4 is supplied with energy from the direct current source. The current flows through a controllable semiconductor element 11 and 11, which can be erased by a capacitor current surge
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Via a controllable semiconductor element 14. A vibration-damping capacitor 5 is located in the supply line to this direct current circuit.
The field winding of the DC machine is denoted by 6. When driving, the controllable semiconductor element, for example a triode, is continuously ignited and a second controllable semiconductor element 15 is continuously blocked. If 11 is now ignited, the current flows from the positive pole of the DC voltage source via 11 itself, the motor 4, the controllable semiconductor element 14 to the negative pole. If the controllable semiconductor element 11 is deleted, a freewheeling current flows via a diode 12 and the controllable semiconductor element 14.
If there is now a switchover to generator mode, e.g. when a vehicle is in braking mode, the controllable semiconductor element 14 remains permanently blocked. When the controllable semiconductor element 11 is ignited, a short-circuit current then flows through the motor 4 and a diode 13 after a field reversal Energy is returned to the direct current source.
If it is the case that the direct current machine is a unit on an electric traction vehicle, then energy can be fed back into the direct current busbar system, e.g. Contact wire line, only possible if another direct current consumer takes over energy from this system at the same time. If this requirement is not met, regenerative braking in the manner described above is not possible. As a result, the voltage between the busbars would increase.
The voltage on the capacitor 5 would inevitably increase as a result. In order to avoid regenerative braking in this case, the above-mentioned increase in voltage on the capacitor is used to ignite a controllable semiconductor element 15 via a control device 7 that can be implemented with known means. The current supplied from the direct current machine is thus fed to a braking resistor 8. This braking resistor 8 can be changed in its effectiveness by controllable semiconductor elements.
The controller 7 can also, as shown in the drawing, be used both to detect the motor current with the aid of a converter 9 and to evaluate its size for the regulation of the semiconductor element 11 which can be erased by a capacitor current surge, and also to evaluate the to feed controllable semiconductor elements 14, 15 with ignition pulses.
The main advantage of the invention described above over already proposed solutions is the economical use of resources for carrying out the operation described.
In a further development of the method as explained above, a direct current battery is now provided as the direct current source 1. Its energy content is to be measured in such a way that it can not only take on a buffer function, i.e. can supply energy in addition to the contact wire feed when starting and is able to store it when braking, but that with its help, the contact wire feed can be completely dispensed with for part of the usual driving operation of an electric traction vehicle.
This results in an enlarged area of application for electric traction vehicles, which e.g. B. have to do without a contact wire feed in hazardous areas. Problems of this kind occur in particular with mine locomotives. It is irrelevant whether the electric traction vehicle is fed from a three-phase network, as shown in the drawing, or from a single-phase network.
As the drawing illustrates, the direct current battery is electrically arranged between the rectifier, which rectifies the AC voltage of the contact wire, and the actual pushbutton circuit.