CH657484A5

CH657484A5 - Verfahren zum betrieb eines nebenschlussgleichstrommotors sowie steuervorrichtung zur ausfuehrung des verfahrens und anwendung desselben.

Info

Publication number: CH657484A5
Application number: CH3701/81A
Authority: CH
Inventors: Luigi Steinbrecher
Original assignee: Sig Schweiz Industrieges
Priority date: 1981-06-05
Filing date: 1981-06-05
Publication date: 1986-08-29
Also published as: US4426605A; DE3142336C2; AU547790B2; SE8200216L; GB2100943B; SE455035B; GB2100943A; DE3142336A1; AU7793881A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Nebenschlussgleichstrommotors, in dessen Ankerkreis eine Mehrzahl in Stufen ein- oder ausschaltbarer Widerstände angeordnet sind, sowie eine Steuervorrichtung zur Ausführung des Verfahrens und eine Anwendung des Verfahrens.

Bei Gleichstrommotoren können grundsätzlich zwei charakteristische Drehzahl/Momentenkennlinien unterschieden werden. Im stationären Betrieb gilt allgemein:

(1)

4pw <{> 4pw <p

Dabei bedeuten n: Drehzahl

U: Klemmenspannung am Ankerkreis p: Polarpaarzahl w: Windungszahl zwischen zwei Bürsten (p: Erregungsfluss Ra: Ankerwiderstand IA: Ankerstrom

Unter Berücksichtigung des Ausdruckes für das Drehmoment M:

Aus dem Vergleich von (3a) und (3b) ist ersichtlich, dass 30 beim Nebenschlussmotor die Drehzahl mit abnehmendem Drehmoment M linear zunimmt, während sie beim Reihenschlussmotor mit

35 . Ym hyperbolisch zunimmt. Diese letzterwähnte sog. «weiche» Drehzahl/Drehmomentenkennlinie ergibt ein günstiges Betriebsverhalten im stationären Betrieb, insbesondere bei Verwendung eines solchen Motors für den Antrieb des Fahr-40 zeugs. Mit der sog. «harten» Nebenschlusskennlinie gemäss (3a) wird dagegen ein gutes Anfahrverhalten erzielt, durch entsprechende Wahl der Kennliniensteilheit.

Es ist nun aus dem Artikel «Schwere Industrie-Lokomotive mit Thyristorstromrichtern» aus ELEKTRISCHE 45 BAHNEN, 1967, Heft 10, bekannt, einen Doppelschlussmotor mit der an sich ebenfalls harten Kennlinie des Nebenschlussmotors so zu führen, dass er eine dem Reihenschlussmotor entsprechende, «weiche» Drehzahl/Drehmomentenkennlinie aufweist. Dies wird dadurch erreicht, dass das Feld so so geregelt wird, dass es dem Verlauf des Ankerstromes folgt. Hat die Quellspannung über dem Anker einen Minimalwert erreicht, so folgt das Feld dieser Ankerspannung, es tritt dann durch Feldschwächung eine Regelung der Anker-Klemmenspannung auf diesen konstant gehaltenen Mini-5 malwert der Quellenspannung. Damit wird der Doppelschlussmotor mit für den Fahrbetrieb günstigem Verhalten entsprechend der «weichen» Drehzahl/Drehmomentenkennlinie betrieben, jedoch entfällt damit sein eigentlich günstiges Anfahrverhalten entsprechend der «harten» Kennlinie ge-60 mäss (3a).

In der DE-AS 1 926 980 wird vorgeschlagen, einen im Nebenschluss geschalteten Gleichstrommotor mit Reihenschlussverhalten zu führen. Dies wird dadurch erreicht, dass in einem unteren Drehzahlbereich der Ankerstrom auf eine 65 vorgegebene Führungsgrösse geregelt wird, dabei die Erregung mit dem Ankerstrom verändert wird. Kann der Ankerstrom bei Erreichen einer bestimmten Drehzahl nicht mehr der Führungsgrösse folgen, so setzt Feldschwächung ein.

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Bei diesen ewähnten bekannten Techniken wird somit der Nebenschlussmotor charakteristikmässig in einen Reihenschlussmotor gewandelt, jedoch unter Aufgabe des in gewissen Betriebsbedingungen, so beim Anfahren, erwünschten Nebenschlussverhaltens. Es ist nun mit der DE-OS 2 934 316 derselben Anmelderin ein Verfahren bekanntgeworden, durch welches ein Nebenschlussmotor selektiv mit Nebenschlusscharakteristik oder Reihenschluss-Charakteri-stik betrieben werden kann, je nachdem, welche Charakteri-sitk in welchem Betriebszustand optimal ist. Insbesondere wird dabei ein Antriebsmotor so betrieben, dass er unterhalb einer vorgegebenen Drehzahl mit Nebenschluss-Charakteri-stik darüber mit Reihenschluss-Charakteristik geführt wird.

Obwohl durch die letzterwähnte Technik ein optimales Anfahr-, Betriebs- und Bremsverhalten des Motors erreicht wird, wird auch hier, ebenso wie in den oben erwähnten Schriften, mit Ankerstromrichtern resp. thyristorgesteuerten Gleichstrom-Pulswandlern gearbeitet. Wegen der Grösse des Ankerstromes ist dabei der Aufwand für derartige Stromrichter mit der zugeordneten elektronischen Steuerung gross. Treten in solchen Anlagen Fehler auf, so muss die entsprechende Reparatur durch bestqualifiziertes Personal praktisch an Ort und Stelle vorgenommen werden, ansonsten müssen voluminöse Teile ausgebaut und in ein entsprechend eingerichtetes Werk eingesandt werden, was beispielsweise bei der Verwendung solcher Antriebe für Gruben-Lokomotiven ausserordentlich nachteilig ist: Insbesondere dort muss angestrebt werden, Reparaturen am Antrieb durch dafür weniger qualifiziertes Personal an Ort und Stelle, beispielsweise durch modulartiges Auswechseln der schadhaften Funktionsblöcke, vorzunehmen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen Nebenschlussmotor so zu betreiben, dass praktisch bei jeder stationären Belastung Reihenschlussverhalten erzielt wird, dass weiter, zum Anfahren, die Nebenschluss-Charak-teristik ausgenützt werden kann, ohne dass dabei Ankerstromrichter oder generell elektronische Stellglieder für den Ankerstrom notwendig wären. Damit entfällt der komplexe, relativ voluminöse elektronische Ankerstromsteller, die Rei-henschluss- und Nebenschluss-Charakteristiken bleiben jedoch betriebszustand-abhängig ausnützbar.

Dies wird mit einem Verfahren eingangs genannter Art dadurch erreicht, dass man für mindestens zwei der Widerstandsstufen je einen Ankerstrom-Minimalwert vorgibt, und bei Erreichen des jeweiligen Minimalwertes den Ankerstrom mittels Feldbeeinflussung konstant hält.

Damit ergibt sich, wie weiter zu beschreiben sein wird, ein Feld von Drehzahl/Drehmomentenkennlinien, deren jede im unteren Drehzahlbereich, entsprechend dem Verhalten eines Nebenschlussmotors mit zu- oder ausschaltbaren Ankerwiderständen, mit abnehmendem Drehmoment linear ansteigt, und bei einem jeweilig bestimmten Moment — dem vorgegebenen Ankerstrom-Minimalwert entsprechend — in hyperbolischen Verlauf übergeht. Dadurch, dass jede Kennlinie des Feldes entsprechend den zugeschalteten Widerständen diesen grundsätzlichen Verlauf aufzeigt, ergibt sich die Möglichkeit, bei praktisch jeder Belastung die weiche Reihenschluss-Charakteristik auszunützen.

Um bei abnehmender Belastung die bei Reihenschlussmotoren bekannte Gefahr des Überdrehens auf jeden Fall zu vemeiden, wird weite vorgeschlagen, mindestens einen Erre-gungs-Minimalwert vorzugeben und bei Erreichen dieses Minimalwertes das Feld bei weiter steigender Drehzahl konstant zu halten. Damit geht der Motor bei oberen Drehzahlbereichen wiederum in Nebenschlussverhalten über, allerdings nun mit geschwächtem Feld.

Eine Steuervorrichtung zur Ausführung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass eine Strommessanordnung im Ankerkreis vorgesehen ist, deren Ausgang einer Kompa-ratorschaltung zugeführt ist, dass letzterer weiter mindestens zwei Referenzsignalquellen, gekoppelt mit Widerstandsstufenschaltern, zuschaltbar ist, und dass der Komparator-s schaltungsausgang die In- resp. Ausser-Betriebnahme einer Regelung ansteuert, welche eine Führungssignalquelle, die Strommessanordnung als Regelgrössennehmer und eine Stelleinrichtung für die Erregung als Stellgrösse umfasst.

In einer Weiterausbildung der Steuervorrichtung wird io vorgesehen, dass eine Begrenzungseinheit im Erregungssteuerkreis vorgesehen ist, die die Erregung nicht unter mindestens einen vorgebbaren Minimalwert absinken lässt.

Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich insbesondere für die Anwendung an batteriebetriebenen Antriebsmotoren, 15 insbesondere für den Antrieb von Grubenlokomotiven.

Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Funktionsblock-Diagramm der erfindungsge-20 mässen Steuervorrichtung,

Fig. 2 qualitativ das dabei erreichte Drehzahl/Drehmo-menten-Kennlinienfeld.

Gemäss Fig. 1 weist ein Gleichstrommotor 1 einen Anker AB sowie eine fremderregte Nebenschlusswicklung IK auf. 25 Der Anker AB ist über paarweise gekoppelte Ankerstrom-Richtungsschalter S11/S12 und S21/S22 mit der Ankerspeisung 3 verbunden. Der Ankerstromkreis wird mittels eines «Mo-tor»-Betriebsschalters Sm über die Speisung 3 geschlossen. Mit einem «Generator»-Betriebsschalter Sq wird er im 30 Bremsbetrieb bei gleichzeitiger Öffnung des Schalters SM in sich selbst geschlossen und von der Speisung 3 abgeschaltet. Im Motor- wie auch im bremsenden Generatorbetrieb sind im Ankerstromkreis beispielsweise vier Widerstände, Ri — R4, mit Hilfe von Stufenschaltern Sia — S4A zu- resp. 35 ausschaltbar. Der Ankerstrom Ia wird mittels eines Stromwandlers 5 gemessen, der ein dem Ankerstrom entsprechendes Signal U (Ia) einem ersten Eingang 7a einer Kompara-torschaltung 7 zuführt.

Dem zweiten Eingang 7b der Komparatorschaltung 7 ist 40 eine Anzahl Referenz-Signalquellen 9 zuschaltbar, mit Signalen U(IAmin)o bis U/IAmin)4- Diese Quellen 9 werden über Schalter S0 bis S4 selektiv dem Komparatoreingang 7b aufgeschaltet. Wie gestrichelt dargestellt, schaltet der Schalter S0 das Signal U(IAmin)o auf den Eingang 7b, wenn die grösste 45 Widerstandsstufe RSo der Anlasswiderstände in den Ankerkreis geschaltet ist, d.h. Rso = Ri + R2 + R3 + R4, letzteres durch Betätigung des «Motor»-Betriebsschalters SM oder eines separaten Schalters S0A.

Analog werden die folgenden Referenzsignale U(IAmm)i 50 — U(IAmin)4 dem Eingang 7b aufgeschaltet, wenn entsprechend die erste, zweite, dritte oder vierte Widerstandsstufe Rsi, Rs2, Rs35 Rs4 zugeschaltet ist, die sich zu Rsi = R2 + R3 + R4 Rs2 = R3 + R4

55 Rs3 = R-4

Rs4 = 0 (resp. = Widerstand des Ankers) ergeben.

Es ist jeweils nur diejenige Quelle 9 auf 7b geschaltet, deren entsprechende Widerstandsstufe wirksam ist.

Der Ausgang 7c der Komparatorschaltung 7 resp. das 60 dort erscheinende Signal steuert, sobald das dem Anker-strom-Ist-Wert entsprechende Signal U(IA) am Eingang 7a das jeweils wirksame Referenzsignal U(IAmin) erreicht, zwei Schalter, Sx und Sw an. Der Regelgrössenschalter Sx verbindet darauf den Ausgang des Stromwandlers 5 mit einem Ein-65 gang einer Vergleichseinheit 11, während der Führungsgrös-senschalter Sw dann den Eingang 7b des Komparators 7 und dabei die gerade aufgeschaltete Quelle 9 auf den zweiten Eingang der Vergleichseinheit 11 schaltet. Ihr Ausgang ist einem

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4

Regler 13 zugeführt, der vorzugsweise als PI- oder PID-Regler ausgelegt ist, dessen Ausgang wiederum auf einen Spannungs-/Stromwandler 15 geschaltet ist. Der Wandler 15 ist, wie die qualitative Charakteristik darunter aufzeigt, so ausgelegt, dass der Ausgangsstrom, ausgehend vom Maxi-mal-Ausgangsstrom IEo bei Eingangsspannung Null mit zunehmendem Eingangssignalbetrag abnimmt. Der Ausgang des Wandlers 15 liefert den Erregerstrom IE an die Erregerwicklung IK.

Das resultierende Verhalten der beschriebenen Steuervorrichtung soll am Kennlinienfeld von Fig. 2 erläutert werden.

Zum Anfahren wird die grösste Widerstandsstufe Rso in den Ankerkreis des Motors geschaltet. Gleichzeitig wird der Schalter S0 geschlossen und schaltet das Referenzsignal U(IAmin)o auf den Eingang 7b der Komparatorschaltung 7. Der Motor läuft auf dem Kennlinienast I entsprechend der zugeschalteten Widerstandsstufe RSo mit Nebenschlussverhalten an. Dabei nimmt der Ankerstrom IA wegen der mit der Drehzahl steigenden Quellenspannung Uq ab und damit, (2), das Moment M.

Solange IA < IAmin 1 ist, sind Sx und Sw auf Null geschaltet: Der Erregerstrom ist konstant IEo- Erreicht der Ankerstrom gemäss Fig. 2, z.B. im Punkt P0, den durch das Referenzsignal U(IAmin)0 festgelegten Wert IAmino> so schliesst der s Komparator 7 die Erregungs-Regelung, indem er Führungsund Regelgrössenschalter Sx und Sw schliesst. Damit werden Ankerstrom-Ist-Wert und Ankerstrom-Soll-Wert auf die Vergleichseinheit 11 geschaltet. Über Regler 13 und Spannungsstromwandler 15 wird der Erregerstrom IE so gestellt, io dass der Ankerstrom nicht unter IAmi„o sinkt.

Löst man (1) nach der Erregung (p auf, so ergibt sich

$

_ 1 j-U

n L4pw

RA JA ■[

i- i

4pw J

(7)

woraus ersichtlich ist, wie die Erregung zur Konstanthaltung des stufenspezifischen Minimalankerstromes IAmin gestellt wird. Einsetzen dieses Ausdruckes sowie der Ankerstrom-20 Minimalwerte in (2) ergibt die daraus resultierende Drehmoment/Drehzahl-Abhängigkeit

M = — f U, - R. . I. 1 L A A minj

L . . 1 A mxn —

(8)

Im Unterschied zum üblichen Reihenschlussverhalten läuft der Motor nach P0 entlang einem

1 M

proportionalen Kennlinienast II hoch. Sorgt nicht das Lastmoment beispielsweise mit ML, in Fig. 2 eingetragen, für die Stabilisierung des Motors, so überdreht er gemäss dem Kennlinienast lila.

In Fig. 2 sind die in den nun weiter zugeschalteten Widerstandsstufen Rs entsprechenden Charakteristiken mit den Punkten Pi — P5 eingetragen, an welchen die Schaltung gemäss Fig. 1 mittels Feldschwächen die Konstanthaltung des jeweiligen Minimal-Ankerstromes vornimmt.

In Fig. 2 ist weiter ein Verlauf im Kennlinienfeld bei beispielsweisem Anfahren gegen ein Lastmoment ML eingezeichnet. Auf dem Ast I entschliesst sich die Bedienungsoer-son, am Punkt Qi in die nächst kleinere Widerstandsstufe Rsi zu schalten, d.h. bevor in RSo die Ankerstrom-/Erre-gungsregelung eingesetzt hat. Bei Erreichen des Punktes Pi, entsprechend dem Ankerstrom IAmin i von Fig. 1, setzt die Regelung ein und führt den Motor in den stabilen Arbeitspunkt bei RSi auf der Lastkennlinie ML. Entschliesst sich die Bedienungsperson zu einer Weiterbeschleunigung, so schaltet sie die nächst kleinere Widerstandsstufe RS2 ein. Dabei kann, wie ersichtlich, unmittelbar in den hypebolischen Ast der nächsten Kennlinie geschaltet werden, d.h. die Regelung setzt beim dargestellten Sprung von RS1 auf RS2 nicht mehr aus, es wechselt lediglich die Ankerstromführungsgrösse von U(IAmin)i auf U(IA

min)2*

Zum Bremsen wird der Motorbetriebsschalter SM geöffnet und dann der Generatorschalter SG eingeschaltet, darauf werden sukzessive die Widerstandsstufen Rs4 bis Rso wieder zugeschaltet. Dabei wird vorzugsweise durch Öffnen der Regelschalter Sx und Sw die Erregung wieder auf ihren Maximalwert entsprechend IEo erhöht, auf jeden Fall konstant gehalten.

Um nun zu verhindern, dass der Motor gemäss dem Kurvenast lila überdrehen kann, wird gemäss Fig. 1, eine Begrenzungseinheit 17 in den Erregungssteuerkreis eingeschaltet, welche, wie die eingetragene Charakteristik ihres Ausgangsstromes IE zum Eingangsstrom IE angedeutet, den Strom IE nur bis zu einem vorgegebenen Minimalwert IE' min absinken lässt. Dieser Minimalwert wird entweder für alle Widerstandsstufen Rs einheitlich vorgegeben, oder stufenspezifisch.

Wie damit aus Fig. 2 ersichtlich, geht dann der Motor an 30 den Betriebspunkten T wiederum in Nebenschluss-Charak-teristik über, entsprechend (3a) mit der jeweils zugeschalteten Ankerwiderstandsstufe Rs und nach Massgabe des nicht unterschrittenen jeweiligen Erregerstromes IE'min. In Fig. 2 wurde das Kennlinienfeld dargestellt, das qualitativ entsteht, 35 wenn für alle Stufen Rs ein gemeinsamer Erregungs-Mini-mahvert IE' min vorgesehen wird, da sich nur dann die entstehende Nebenschluss-Charakteristik-Äste Illb bei M=0 in einem Punkt auf der n-Achse schneiden.

Der Spannungs/Stromwandler 15 kann wegen der relativ 40 geringen Erregungsstromgrösse ohne weiteres als transistorisierte Einheit aufgebaut werden, d.h. als Transistorstromquelle, ebenso wird die Begrenzungseinheit 17 als bekanntes Funktionsnetzwerk mit Halbleiterelementen, insbesondere Begrenzungsdioden, aufgebaut.

45 Zum Erhalt der abfallenden Spannungs/Stromwandler-Charakteristik, kann z.B. eine Referenzspannung UE0 sowie die Ausgangsspannung des Reglers 13 einem Differenzverstärker zugeschaltet werden, dessen Ausgang Ua= k (UE0—U13) — k seine Verstärkung, U13 die Regler-50 Ausgangsspannung — eine Transistorstromquelle ansteuert. Wird im Bremsbetrieb das Feld nicht umgepolt, was bei der beschriebenen Anordnung der Fall ist, so kann die Stromquelle für eine Strompolarität ausgelegt sein.

Es muss noch daraufhingewiesen werden, dass die be-55 schriebene Ankerstrom/Erregungs-Regelung im Vergleich zum üblichen Reihenschlussverhalten einen zusätzlichen Vorteil mit sich bringt. Die beispielsweise in Fig. 2 eingetragene Reihenschluss-Charakteristik mit

1

Yl verläuft wesentlich flacher als die mit der erwähnten Regelung erzielte

1 M

-Charakteristik. Dies ermöglicht, das Betriebsfeld mit wenigen stufen-spezifischen Charakteristiken abzudecken, da je60

5

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weils die Drehzahl mit abnehmendem Moment relativ stark ansteigt. Aus der Tatsache, dass für das vorgeschlagene Verfahren, resp. für die Steuervorrichtung zu dessen Ausführung keine Ankerstromsteller vorgesehen werden müssen, ergibt sich die Möglichkeit, die ganze Steuerelektronik, die 5 sich auf die Erfassung des Ankerstromes sowie auf die Stellung der Erregung beschränkt, modulartig auswechselbar auszubilden. Somit können, insbesondere bei so betriebenen Grubenlokomotiven mit Batterie-Antrieb, beim Abnehmer mehrere Reservesteuerungen bereitgehalten werden, sodass bei Beschädigung der eingesetzten diese ersetzt und ohne Be-triebszeiteinbusse zur Reparatur eingeschickt werden können.

10

15

20

25

30

35

40

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50

55

60

65

S

1 Blatt Zeichnungen

Claims

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2

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Betrieb eines Nebenschlussgleichstrommotors, in dessen Ankerkreis eine Mehrzahl in Stufen (RSo— Rs4) ein-oder ausschaltbarer Widerstände (R! — R4) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass man für mindestens zwei der Widerstandsstufen (Rso — Rs4) je einen An-kerstrom-Minimalwert (iAmino — lAmin4) vorgibt, und bei Erreichen des jeweiligen Minimalwertes den Ankerstrom mittels Feldbeeinflussung (11,13,15,17) konstanthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens einen Erregungs-Minimalwert (IE' min) vorgibt und bei Erreichen dieses Wertes das Feld bei weiter steigender Drehzahl konstant hält.
3. Steuervorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strommessanordnung (5) im Ankerkreis vorgesehen ist, deren Ausgang einer Komparatorschaltung (7) zugeführt ist, dass letzterer (7) weiter mindestens zwei Referenzsignalquellen (9), gekoppelt mit Widerstandsstufenschaltern (Soa/So; S1A/ Si ...), zuschaltbar ist, und dass der Komparatorschaltungs-ausgang (7c) die In- resp. Ausser-Betriebnahme einer Regelung ansteuert, welche eine Führungssignalquelle (9), die Strommessanordnung (5) als Regelgrössennehmer und eine Stelleinrichtung (15,17) für die Erregung als Stellgrösse um-fasst.
4. Steuervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungssignalquelle die jeweils der Komparatorschaltung (7) zugeschaltete Referenzsignalquelle (9) ist.
5. Steuervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Begrenzungseinheit (17) im Erregungssteuerkreis vorgesehen ist, die die Erregung nicht unter mindestens einen vorgebbaren Minimalwert absinken lässt.
6. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie modulartig auswechselbar ■ ausgebildet ist.
7. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 für batteriebetriebene Antriebsmotoren.
8. Anwendung nach Anspruch 7 für den Antrieb von Grubenlokomotiven.

n =

U

ra jA

M = — pwl_4>

TT A

ergibt sich bei Nebenschlussschaltung des Motors eine 5 Drehzahl/Drehmoment-Abhängigkeit gemäss

2ttR,

(2)

n =

u c$

10

c <p

M

mit c = 4pw.

Für den Reihenschlussmotor, bei welchem

<p = kIA

(3a)

(4)

(5)

geschrieben werden kann, ergibt sich für die Drehzahl/Drehmomentabhängigkeit der Ausdruck

20

n =

U

2ttRt

:Rnr

CR2

(3b)

25

mit c_ = VsTrpwk

K