Rückspeiseeinrichtung bei Speisung eines Gleichstrommotors aus einem Netz, mit Nutzbremsung Die Erfindung betrifft eine Rückspeiseeinrichtung bei Speisung eines Gleichstrommotors aus einem Netz, in .das zur Nutzbremsung Leistung zurückgeliefert wird.
Diese Einrichtung hat insbesondere Bedeutung bei Fahrzeugmotoren, welche über Stromabnehmerbügel an eine elektrische Leitung angeschlossen werden. Es ist bekannt, solche Motoren zur Bremsung .des Fahrzeuges als Generator laufen zu lassen und die erzeugte Lei- stung in ,das Netz zurückzuliefern. Diese Bremsung ist allgemein unter dem Namen Nutzbremsung bekannt.
Es tritt nun häufig auf, idass während. :der Bremsung der Bügel sich kurzzeitig vom Fahrdraht abhebt (soge nanntes Bügelspringen) und dadurch die Verbindung zwischen dem als Generator arbeitenden Motor und dem Netz abreisst. Hierdurch wird nicht nur der Bremsvor gang unterbrochen, sondern es kann in der Anlage auch eine überspannung entstehen. Ist das Netz ein Wechsel stromnetz, das über Gleichrichter den Motor speist, so schaltet man die Gleichrichter in Wechselrichterbetrieb um, so dass Leistung ins Netz zurückgespeist werden kann. Beim Bügelspringen wird .dann dieser Strom plötzlich unterbrochen, und kann ein Kippen der Wech selrichter in den Gleichrichterbetrieb bewirken.
Hier durch wird .die Motorwicklung kurzgeschlossen, so dass der Strom unzulässig erhöht wird.
Es ist weiter bekannt, Motoren .durch Parallelschal- tenv von Bremswiderständen bei gleichzeitiger Abtren nung vom Netz zu bremsen. Hierbei hat bei Lokomo- tivmotoren wohl Idas Bügelspringen keinen Einfluss auf die Bremsung, es muss aber auch auf den Vorteil der Nutzbmeunsung verzichtet werden.
Bei,der Bremsung mit Widerständen steuert man die Widerstände mit Hilfe von Impulsschaltungen kontakt los (siehe AEG-Mitteilungen 1965, Heft 2, Seite 127). Hierbei ist dem Bremswiderstand ein gesteuerter Strom richter (Thyristor) parallel geschaltet, der mit einer Zwangskommutierungwinrichtung zum Löschen des Thy- ristor versehen ist.
Der Thyristar wird durch eine Steuer- oder Regdeinnichtung gezündet und schliesst dann den Bremswiderstand kurz oder schaltet ihn durch Sperrung des Hilfsthyristors umgekehrt ein. Diese Einrichtung kann für die Bremsung von Motoren ohne Nutzbrem sung verwendet werden.
Um .den Einfluss des Bügelspringens bei Lokomo tiven zu vermeiden, kann man auch zwei Bügel parallel in Betrieb halten. Dies wird aber aus anderen Gründen vermieden, insbesondere ergeben sich Schwierigkeiten bei hohen Geschwindigkeiten und an Kuppelstellen der Fahrstrecke. Ausserdem besitzen nicht alle Lokomo tiven zwei Bügel.
Um nun eine möglichst unterbrechungslose Brem sung zu erhalten und trotzdem den Vorteil ,der Nutz bremsung ausnutzen zu können, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass eine Zwangskommutierungseinrich- tung bei ungewollter Abtrennung der Gleichrichter vom Netz oder Ausfall der Netzspannung in den Motorkreis eingeschaltet wird, die ein Stromtor öffnet, das mit Bremswiderständen in Reihe liegt, und dass bei Wieder kehr der Spannung ,das Stromtor gesperrt wird.
Die Fig. 1 bis 4 zeigen Beispiele ,der Erfindung. Fig. 1 zeigt die Speisung eines Gleichstrommotors aus einem Wechselstromnetz, Fig.2 die Schaltung der Zwangskommutierungseinrichtung, Fig.3 die Speisung eines Motors aus einem Gleichstromnetz und: Fig. 4 die Schaltung der Steuereinrichtung.
Aus dem Fahrdraht 1, welcher in Fig. 1 zu einem Wechselstrombahnnetz gehört, wird über den Bügel 2 der Transformator 3 mit den Stromrichtern 4 bis 7 ge speist. An diesen Stromrichtern ist der Gleichstrommo tor 8 mit der Feldwicklung 9 angeschlossen. Die Feld wicklung 9 wird ebenfalls aus dem Wechselstromnetz über die Gleichrichteranordnung 10 gespeist.
Im Normalbetrieb wirken die Stromrichter 4 bis 7 als Gleichrichter und speisen den Motor. Die Spannung der Stromrichter wird in bekannter Weise durch Ver schieben der Zündimpulse an den Gittern (Gates) ge steuert. Diese Steuereinrichtung ist nicht näher darge stellt, da sie allgemein bekannt ist. Wenn nun der Motor 8 gebremst werden soll, so werden die Stromrichter 4 bis 7 als Wechselrichter um geschaltet, so dass die Motorleistung als Nutzbremsung in das Netz zurückgeliefert werden kann. In der Fig. 1 ist die Schaltung gezeigt, bei der der Motor gebremst wird.
Die Umschaltorgane für die Umschaltung von Betrieb auf Bremsung sind weggelassen.
Wenn nun der Bügel 2 springt, also sich kurzzeitig vom Fahrdraht 1 abhebt, so wird der Bremsstrom un terbrochen. Der Wechselrichter kippt in den Gleichrich- terzustand und schliesst dadurch die als Generator wir- kende Motorwicklung kurz. Um dies zu vermeiden, sind die Steuereinrichtung 11, die Bremswiderstände 12 und 13, .das Stromtor 14 und .die Impulsschaltungen 15, 16 und 18, 19 vorgesehen.
Die Anordnung wirkt nun so, dass im Augenblick des Bügelspringens solange der Bügel keinen Kontakt mit der Leitung hat, die Bremswiderstände 12 und 13 oder einer von ihnen in den Motorkreis vorübergehend ein geschaltet werden. Diese können dann die Motorenergie aufnehmen. Zu diesem Zwecke wird das Stromtor 14 geöffnet, so dass über die Widerstände 12 und 13 Strom fliessen kann.
Soll nur ein Widerstand, beispielsweise 12, eingeschaltet werden, so wird der andere, also 13, ,durch die Impulsschaltung 16 kurzgeschlossen. Die Spannung für die Erregung, die ja beim Bügelspringen ebenfalls fällt, wird am Widerstand 13 abgenommen und über die Diode 17, die den normalen, über die Gleichrichter 10 gelieferten, Erregerstrom abhalten soll, an die Feldwick lung 9 gegeben.
Zugleich mit der Freigabe der Bremswiderstände muss der Strom in den Stromrichter 4 bis 7 unterbro chen werden, um ein Kippen zu vermeiden. Diesem Zweck dienen die Kommutierungseinrichtungen 18 und 19. Je nachdem, welcher Stromrichter gerade Strom führt, also entweder 4 und 7 oder 5 und 6, wirkt die Kommutierungseinrichtung 18 oder 19.
Diese erzeugen einen Strom, der dem gerade in den Stromrichter flias- senden Strom entgegengesetzt ist und löscht daher die entsprechenden Stromrichter. Die genauere Wirkungs weise dieser Einrichtung ist in der Fig. 2 gezeigt, und wird nach der Beschreibung der Fig. 1 noch näher er läutert.
Die Umschaltung von Nutzbremsung auf Wi derstandsbremsung wird nun durch die Steuereinrich tung 11 bewirkt, .deren Einzelheiten später bei der Be schreibung der Fig. 4 erläutert werden. Diese enthält die Spannung am Transformator 3 über den Spannungs- wandler 32 zugeführt. Ausserdem wird als Kriterium der Strom im Stromwandler 20 herangezogen.
Beim Bügel- springen fällt die Netzspannung aufs. Die Gleichspian- nungdes Motors liegt dann, allein am Transformator und bringt diesen in Sättigung, wodurch der Strom ansteigt.
Kippen ausserdem :die bisher sperrenden Stromrichter- elemente 5 und 6 bzw. 4 und 7, so wird der Strom wei ter erhöht. Die Stromerhöhung wird über den Wandler 20 durch die Steuereinrichtung 11 erfasst, welche die Kommutierungs:einriohtungen 18 und 19 betätigt und damit die Gleichrichter sperrt. Das Stromtor 14 wirkt als Schalter und schaltet damit den Stromkreis der Widerstände 12 und 13 ein.
Die Spannung am Trans formator 3 verschwindet dann, wenn sämtliche Strom richter 4 bis 7 gesperrt sind. Sobald aber der Bügel wieder die Leitung berührt, ist wieder Spannung am Spannungswandler 32 vorhanden,. Diese wird in der Steuereinrichtung 11 dazu ausgenutzt, die Steuerung der Stromrichter 4 bis 7 sofort wieder freizugeben und das Stromtor 14 zu :sperren, so dass ,der Bremsstrom wieder ins Netz fliessen kann.
Durch die Impulsschaltung 15 und 16, von dznen im Beispiel nur zwei gezeichnet sind, kann: man die Höhe des Bremswiderstandes stellen. Sie wird vorher festge legt und über die Leitung 33 an die Steuereinrichtung gegeben. Beim Springen ,des Bügels ist dann die rich tige Einstellung der Widerstände 12 und 13 bereits vorhanden. Sie kann auch durch eine Regeleinrichtung ein- und ausgeschaltet werden, indem ein vorgegebener Wert (Soll-Wert) mit dem tatsächlichen Wert (Ist-Wert) verglichen und dem Stromtor zugeführt wird. In diesem Falle wird an die Leitung 33 der Regelbefehl gegeben.
In der Figur 2 ist die Zwangskommutierungseinrich- tung 18 oder 19 genauer .dargestellt. Diese Schaltung ist an sich bekannt. Der Thyristor 4 wird durch eine üb- fiche Steuereinrichtung gesteuert. Die Glieder 21-27<B>ge-</B> hören zur Zwangskommufierungseinrichtung, welche in der Fig. 1 mit 18 bezeichnet ist. Siebesteht aus d :
em Kon- d:ensator 21, dem Hilfsithynisto2 22, idem Widerstand 23 und dem Transformator 26. Dazu kommen noch die Diode 27 und die Drosselspule 24 mit einem weiteren Hiilfsthyristor 25. Der Transformator 26 wird vom Netz, also vom Transformator 3 aus, gespeist.
Die dort an stehende Spannung wird :durch die Diode 27 gleichgerich tet und an den Kondensator 21 "gegeben, so dass :dieser sich auflädt. Dies geschieht bereits während des norma len Betriebes, also wenn der Motor ails Motor läuft. DDr Kondensator ist .also praktisch die meiste Zeit aufge laden.
Wenn nun beim Bügelspringen während der Bremsung oder Wegbleiben der Netzspannung die Steuereinrichtung 11 betätigt wird, so entsteht ein Im puls am Hilfsthyristor 22. Dieser wird geöffnet und schliesst dadurch einen Stromkreis vom Kondensator 21 über .den Hauptthyristor 4. Der Kondensator kann sich entladen und zwar entgegengesetzt zum Strom, .der noch über den leerlaufenden Transformator 7 im Thyristor 4 fliesst. Dieser wird dann gelöscht.
Nach Wiederkehr der Spannung wird der 1-Elfsthyristor 25 wieder gezün det und der Hilfsthyristor 22 wieder gesperrt. Dann kann sich der Kondensator rasch wieder über die Dros selspule 24, den Thyristor 25 und die Diode 27 aufladen, so dasis bei seinem kurz idanaui;folgenden weiterem Bügelspringen die Anordnung sofort wieder betriebs bereit ist.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel für die Speisung eines Mo tors aus einem Gleichstromnetz. Es ist wieder der Schalt zustand dargestellt, wenn der Motor gebremst wird. Der Normalbetrieb und die Umschaltung auf Bremsbetrieb ist nicht gezeigt, da dies für die Erfindung unerheblich ist. 1 ist in diesem Falle eine Gleichstromfahrleitung, die Gleichspannung wird von dem Bügel 2 abgenommen.
11 ist wieder die Umsteuereinrichtung, welche die Nutz bremsung in eine Widerstandsbremsung umschaltet. 20 ist ein Gleichstromwandler, der den Strom an die Um steuereinrichtung führt. 14 ist das Stromtor, das den Stromkreis mit dem Widerstand 12 einschaltet. Eine Umschaltung der Widerstände ist hier nicht dargestellt, se kann aber in gleicher Weise wie bei der Anordnung nach Fig. 1 ausgeführt werden.
In der Fig. 3 ist als Beispiel gezeigt, dass der Motor über eine Impulsschaltung (Impulswandler) gespeist wird, der eine Spannungsrogelung ermöglicht. Dies ge schieht dadurch, dass .die Gleichspannung nur impuls artig durchgelassen wird. Je schmaler die Impulse und je grösser der Zwischenraum zwischen den Impulsen ist, umso kleiner wird die mittlere Spannung.
Umge- kehrt kann man auch bei der Bremsung, wenn der Mo tor selbst nur eine geringe Spannung und damit kleine Umdrehungszahl hat, eine Bremsung durchführen. Dits geschieht mit der Impulsschaltung 28, welche von einer nicht gezeichneten Steuereinrichtung betätigt wird. Bei der Bremsung ist nun noch die Diode 29, der Konden sator 30 und die Drosselspule 31 für die Zwangskom- mutierung und die gegebenenfalls erforderliche Span nungserhöhung nach der Seite des speisenden Netzes vorhanden.
Die Wirkungsweise ist hierbei folgende: Die in der Induktivität des Motors aufgespeicherte Energie wird ins Netz zurückgeliefert. Die Impulsschaltung 28 erzeugt Impulse, die auch bei kleiner Spannung am Motor eine höhere Spannung besitzen als .das Netz, so dass Leistung ins Netz fliessen kann. Bleibt nun die Spannung durch Bügelspringen weg, so verringert sich der Strom im Stromwandler 20. Hierdurch wird die Steuereinrichtung 11 in Tätigkeit gesetzt und gibt einen Impuls an das Stromtor 14. Dieses lässt Strom durch, so dass der Bremsstrom nur mehr über ,den Bremswiderstand 12 fliessen kann.
Bei Wiederkehr der Spannung wird die Steuereinrichtung wieder betätigt, weil nunmehr wieder Strom durch den Wandler 20 fliesst, und sperrt das Stromtor 14, so dass dann wieder .der ganze Brems strom in die Leitung zurückfliessen kann.
In der Fig. 4 ist die Steuereinrichtung 11 näher be schrieben. Sie besteht aus mehreren Triggern und Kipp gliedern. Der Strom aus dem Stromwandler 20 wird dem Trigger 34 zugeführt. Dieser kippt, wenn der Strom einen bestimmten Wert überschreitet und gibt dann ei nen Impuls an den bistabilen Multivibrator 35. Dieser kippt also, wenn der Strom grösser wird und gibt dann Impulse an die Kommutierungseinrichtungen 18 und 19, welche .die Thyristoren 4 und 5 sperren, ferner an das Stromtor 14, welches den Weg zu den Brems widerständen freigibt.
Hierdurch werden also die Brems widerstände eingeschaltet. Kehrt die Spannung am Span- nungswandler 32 wieder, so wird der Trigger 36 be tätigt. Er gibt einen Gegenimpuls an den Multivibrator 35 und dieser kippt zurück. Der Trigger 36 wird zu rückgestellt, wenn am Wandler 20 wieder Strom fliesst und zugleich Spannung vorhanden ist. Daher wird die Spannung und der Strom an .das Und-Glied 37 geführt.
Um die Grösse des Bremswiderstandes einzustellen, sind ;die monostabilen Multivibratoren 38 und 39 vor gesehen. Sie geben Signal an die Stromtore 15 und 16 und überbrücken dann die jeweiligen zugehörigen Wi derstände. Diese überbrückung wird durch einen Steuer befehl an der Leitung 33 veranlasst. Die Leitung 33 kann auch an einer Regeleinrichtung angeschlossen sein, welche in bekannter Weise .den tatsächlichen Strom mit einem Soll-Strom vergleicht. Wird beispielsweise ein positiver Impuls gegeben, so wird der monostabile Mul- tivibrator 38 gekippt und gibt ein Signal an das Stromtor 15.
Wird umgekehrt ein negatives Signal gegeben, so wird .der Multivibrator 39 gekippt und steuert das Stromtor 16. Die Auswahl dieser Signale erfolgt in einer nicht dargestellten Befehlsstelle.
Der Vorteil der Anordnung nach der Erfindung ist, dass beim Bügelspringen die Bremsung fortgesetzt wer den kann, also keine Stösse entstehen und daher eine Nutzbremsung auch bei Lokomotiven, bei denen nur ein einziger Bügel in Betrieb ist, leicht vorgesehen wer den kann.