-
Schaltungsanordnung zum Schutz von Motoren gegen zu hohe Einschaltstromstöße
Es ist bekannt, Motoren bei Netzspannungsschwankungen gegen hohe Stromstöße dadurch
zu schützen, daß Vorwiderstände bei Spannungserhöhungen in Reihe zum Motor geschaltet
werden. Die Zuschaltung der Widerstände erfolgt dabei im allgemeinen in Abhängigkeit
von den sich ändernden Netz- oder Motorgrößen oder auch der Differenz beider. Während
des normalen Betriebes bei Nennspannung und auch im Unterspannungsbereich sind diese
Vorwiderstände ständig kurzgeschlossen (USA.-Patentschriften 1621011 und 1705 728).
Bei kurzzeitigen Unterbrechungen der Netzspannung, wie sie bei elektrisch betriebenen
Fahrzeugen jeweils beim Durchfahren von Stromschienenlücken auftreten, sind derartige
Anordnungen nicht wirksam, d. h., sie bieten gegen den beim Wiederkehren der Netzspannung
auftretenden Einschaltstromstoß keinen Schutz.
-
Allgemein wird auch der beim Wiederkehren der Netzspannung auftretende
Einschaltstromstoß durch vor dem Motor liegende Widerstände begrenzt. In einigen
Fällen, z. B. bei einer elektrischen Bremsung, müssen jedoch die Widerstände zumindest
teilweise überbrückt werden, damit der mit dem Motor gekoppelte, die Erregung für
die Fahrmotoren liefernde Umformergenerator die benötigte höhere Leistung abgeben
kann.
-
Bleibt nun z. B. bei einer Stromschienenlücke die Netzspannung aus,
so treten wegen der zum Teil überbrückten Vorwiderstände bei Wiederkehr der Netzspannung
erhebliche Einschaltstromstöße auf, die den Motor gefährden. Der teilweise Kurzschluß
der Vorwiderstände ist in diesem Fall also unerwünscht. Andererseits soll aber der
Motor möglichst unterbrechungslos an Spannung angeschlossen sein und die benötigte
Energie aus dem Netz beziehen. Eine weitere Schwierigkeit ist dadurch bedingt, daß
bei kurzzeitigem Ausfall der Netzspannung der Motor infolge seiner Schwungmasse
als Generator weiterläuft und auf parallelliegende Verbraucher sogar zurückspeist.
Der Motorstrom kehrt sich dabei um.
-
Die vorstehend dargelegten Schwierigkeiten lassen sich durch eine
besondere Schaltungsanordnung beheben, die in Abhängigkeit von zwei, den Betriebszustand
des Motors kennzeichnenden Meßgrößen arbeitet. Es sind dies der Motorstrom und die
Differenz zwischen Netzspannung und Motor-EMK.
-
Die Schaltungsanordnung zum Schutz von Motoren gegen zu hohe Einschaltstromstöße
bei kurzzeitiger Unterbrechung der Netzspannung, bei der der Motor nach einer derartigen
Unterbrechung über einen bei normalen Betriebsverhältnissen kurzgeschlossenen Vorwiderstand
an die Netzspannung anschließbar ist, insbesondere bei Motoren auf Fahrzeugen, hat
erfindungsgemäß das Kennzeichen, daß die Zuschaltung des Vorwiderstandes beim Unterschreiten
eines vorgegebenen Mindestwertes des Ankerstromes durch eine ankerstromabhängige
erste Schalteinrichtung erfolgt, während das Kurzschließen des Vorwiderstandes durch
die ankerstromabhängige erste Schalteinrichtung bei überschreiten des vorgegebenen
Mindestwertes des Ankerstromes und durch eine spannungsabhängige zweite Schalteinrichtung
bei Absinken der Differenz zwischen der Netzspannung und der Motor-EMK unter einen
vorgegebenen Wert erfolgt.
-
Das Kurzschließen des Vorwiderstandes erfolgt somit nur, wenn der
Motorstrom und die Differenz zwischen Netzspannung und Motor-EMK in vorgegebenen
bestimmten Bereichen liegen. Durch den Motorstrom wird das Vorhandensein der Netzspannung
erfaßt. Er muß stets größer als ein bestimmter Mindestwert sein und ist richtungsabhängig
zu erfassen. Mittels der Differenz zwischen Netzspannung und Motor-EMK wird festgestellt,
inwieweit ein Anlaßvorgang bei Zuschalten oder Wiederkehr der Spannung abgeklungen
und ein Kurzschließen des Vorwiderstandes zulässig ist. Sobald die Differenz einen
bestimmten Wert unterschritten hat, kann der Vorwiderstand kurzgeschlossen werden,
ohne eine Gefährdung des Motors befürchten zu müssen. Die Nachteile der bekannten
Anordnungen werden so vermieden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist als erste Schalteinrichtung,
durch die der Motorstrom mittels des Spannungsabfalls an einem Strommeßwiderstand
erfaßt wird, ein spannungssteuernder magnetischer Verstärker mit nachgeschaltetem
RC-Kreis sowie einem Eingang eines Und-Gliedes vorgesehen. Da
ein
spannungssteuernder Magnetverstärker eine hohe Verstärkung und damit eine steile
Kennlinie besitzt, kann ein gesondertes Kippglied entfallen. Das gewünschte Kippverhalten
wird mittels eines Einganges des nachgeschalteten Und-Gliedes erzielt. Der Ansprechwert
wird durch einen entsprechend gewählten Vorstrom des spannungssteuernden Magnetverstärkers
eingestellt. Es ist ferner günstig, daß sich ein spannungssteuernder Magnetverstärker
durch einen positiven Strom weit. übersteuern läßt. Ebenfalls ist auch ein weites
Aussteuern in negativer Richtung möglich, ohne daß eine störende Ausgangsgröße erscheint.
Besondere Hilfsmittel, die bei anderen Meß-bzw. Verstärkungseinrichtungen mit Rücksicht
auf die hohen Anlaßströme des Motors bzw. auf eine mögliche Stromumkehr erforderlich
wären, können daher entfallen. ' Die die Differenz zwischen Netzspannung und Motor-EMK
erfassende zweite Schalteinrichtung wird zweckmäßig von einem stromsteuernden Magnetverstärker
mit nachgeschaltetem RC-Kreis sowie einem Kippglied mit kleinem Rückfallverhältnis
gebildet.
-
Zweckmäßigerweise löst die den Kurzschlußkreis des Vorwiderstandes
betätigende Schalteinrichtung erst dann aus, wenn die Spannungsdifferenz zwischen
Netzspannung und Motor-EMK während einer bestimmten Zeit kleinem als ein vorgegebener
Wert ist. Damit wird sichergestellt, daß plötzliche Spannungseinbrüche oder -absenkungen
kein zu frühes Kurzschließen bewirken. Das die Differenz zwischen Netzspannung und
Motor-EMK erfassende Kippglied muß daher seinen Steuerbefehl verzögert abgeben.
Andererseits ist jedoch ein verzögerter Rückfall bei Wegfall der Ansprechbedingung
unerwünscht. In vorteilhafter weiterer Ausbildung der Erfindung läßt sich dieses
unterschiedliche Verhalten des Kippgliedes dadurch erreichen, daß ein Kippglied
mit antivalenten Ausgängen vorgesehen ist, von dem ein erster Ausgang sowohl direkt
mit einem Eingang eines Und-Gliedes. als auch über ein Verzögerungsglied mit einem
weiteren Eingang des Und-Gliedes verbunden ist und bei dem weiter ein zu dem ersten
Ausgang antivalenter zweiter Ausgang des Kippgliedes mit einer Schalteinrichtung
verbunden ist, durch die das Verzögerungsglied urverzögert zurückstellbar ist.
-
Im folgenden soll die Erfindung an Hand der in den F i g. 1 und 2
schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
-
Wie aus F i g. 1 ersichtlich, ist der Motor 1 über Widerstände 2,
3 an den Pluspol der Netzspannung angeschlossen. Parallel zum Widerstand 3 liegt
ein Schalter 4, durch den der Widerstand kurzgeschlossen werden kann. Der Spannungsabfall
am Widerstand 2 und damit der Motorstrom wird von einer Schalteinrichtung 5 gemessen;
diese spricht an und gibt einen Steuerbefehl, sobald der Motorstrom einen vorgegebenen
Wert überschreitet. Die ungefähre Differenz zwischen der Netzspannung und der Motor-EMK
wird von der Schalteinrichtung 6 erfaßt. Diese spricht an, sobald die Differenz
einen bestimmten Wert unterschreitet. Sie gibt dann einen Steuerbefehl auf das Und-Glied
7. Dem Und-Glied 7 ist eine Schalteinrichtung 8 nachgeschaltet, die im wesentlichen
der Leistungsverstärkung des Schaltbefehls dient. Der Ausgang der Schalteinrichtung
8 steuert den Schalter 4. Die Wirkungsweise der in F i g. 1 dargestellten Schaltungsanordnung
ist folgende: Beim Einschalten 'der Netzspannung bzw. bei Wiederkehr nach plötzlicher
Unterbrechung ist der Schalter 4 geöffnet. Der hohe Anlaßstrom des Motors wird durch
die Widerstände 2, 3 begrenzt. Die Schalteinrichtung 5, die beim überschreiten eines
bestimmten Wertes des Motorstromes anspricht, gibt einen Steuerbefehl auf das Und-Glied
7. Solange jedoch der hohe Anlaßstrom nicht abgeklungen ist, kann sich dieser Steuerbefehl
nicht auswirken, da von der Schalteinrichtung 6 dann kein Steuerbefehl vorliegt.
Erst wenn die Differenz zwischen Netzspannung und Motor-EMK einen vorgegebenen Wert
unterschreitet, spricht die Schalteinrichtung 6 an und gibt ebenfalls einen Steuerbefehl
auf das Und-Glied 7. Damit erscheint an dessen Ausgang ein Steuerbefehl, die Schalteinrichtung
8 wird betätigt und der Widerstand 3 kurzgeschlossen.
-
Tritt nun eine kurzzeitige Unterbrechung der Netz, Spannung auf, so
liegt zwar weiterhin ein Steuerbefehl von der Schalteinrichtung 6 vor, jedoch der
Steuerbefehl von der Schalteinrichtung 5 entfällt, da der Motorstrom unter den vorgegebenen
Wert absinkt. Der Widerstand 3 wird daher wieder eingeschaltet. Bei Wiederkehr der
Spannung kann somit kein unzulässig hoher Stromstoß auftreten.
-
In vielen Fällen treten in einem Netz, in dem kurzzeitige Unterbrechungen
der Netzspannung möglich sind, auch hohe kurzzeitige Absenkungen der Netzspannung
auf. Durch eine solche Absenkung darf ebenfalls keine Betätigung der Schalteinrichtung
6 hervorgerufen werden. Diese soll daher einen Steuerbefehl verzögert abgeben, hingegen
urverzögert in den Ausgangszustand zurückkehren, sobald die Ansprechbedingung nicht
mehr gegeben ist. Ferner können Rückströme auftreten, falls parallel zum Motor 1
und den Widerständen 2, 3 weitere Verbraucher angeordnet sind. In diesem Fall läuft
der Motor bei Spannungsausfall infolge der in seinem Anker gespeicherten Rotationsenergie
kurzzeitig als Generator weiter.
-
In F i g. 2 ist eine Schaltungsanordnung gezeigt, die auch den vorstehend
dargelegten erschwerten Betriebsbedingungen Rechnung trägt. Für das Ausführungsbeispiel
wurde angenommen, daß der Motor 1 einen Umformergenerator eines elektrischen Fahrzeuges
antreibt, der bei der elektrischen Bremsung die Erregerwicklungen der Fahrmotoren
zu speisen hat. Um die dabei benötigte höhere Leistung abgeben zu können, ist es
notwendig, einen Teil des vor dem Motor 1 liegenden Widerstandes kurzzuschließen.
Bleibt jedoch, z. B. bei einer Stromschienenlücke, die Netzspannung kurzzeitig aus,
-so muß der Kurzschluß wieder aufgehoben werden. Der Schalter 4 zum Kurzschließen
des Widerstandes 3 darf somit nur betätigt werden, wenn 1. ein Bremskommando vorhanden,
2. der Strom des Motors 1 größer als ein vorgegebener Wert, 3. die Differenz zwischen
Netzspannung und Motor-EMK kleiner als ein vorgegebener Wert sind und 4. die Bedingung
3 auch während einer vorgegebenen Zeit erfüllt bleibt.
-
In F i g. 2 ist wieder mit 1 der Motor bezeichnet. Er ist über Widerstände
2, 3 an die Netzspannung
angeschlossen. Der Widerstand 3 kann von
einem Schalter 4 kurzgeschlossen werden. Der Motorstrom wird mittels des Spannungsabfalls
am Widerstand 2 erfaßt. Als Meßeinrichtung ist ein spannungssteuernder Magnetverstärker
13 vorgesehen. Dieser ist gegen hohe positive überströme, wie sie beim Anlaßvorgang
auftreten können, unempfindlich. Andererseits kann er auch mit negativen Strömen
bestimmter Größe beaufschlagt werden, ohne daß er ein Ausgangssignal abgibt. Dem
Magnetverstärker 13 ist zur Glättung der Ausgangsimpulse eine RC-Schaltung 14, 15
sowie der Eingang 22 des Und-Gliedes 7' nachgeschaltet. Da der Magnetverstärker
13 eine steile Kennlinie besitzt, erübrigt sich ein besonderes Kippglied. Sobald
der Motorstrom einen bestimmten Wert überschreitet, liegt am Eingang 22 ein den
Ansprechwert überschreitendes Steuersignal an. Die Einstellung dieses Wertes erfolgt
durch einen entsprechenden Vorstrom des Magnetverstärkers.
-
Die Differenz zwischen Netzspannung und Motor-EMK wird durch den Spannungsabfall
an den Widerständen 2, 3 mittels des stromsteuernden Magnetverstärkers 9 erfaßt.
Die von diesem gelieferten, der Differenzspannung proportionalen Ausgangsimpulse
werden von der RC-Schaltung 10, 11 geglättet. Dieser sind eine Zenerdiode 12 sowie
ein Kippglied 27 nachgeschaltet. Durch die Kombination von Zenerdiode 12 und Kippglied
27 ergibt sich eine Anordnung mit kleinem Rückfallverhältnis. Der Ansprechwert dieser
Anordnung wird am Widerstand 10 eingestellt.
-
Der Ausgang 25 des Kippgliedes 27 führt Spannung, sofern der Spannungsabfall
an den Widerständen 2, 3 einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet. Der Ausgang
26 ist zum Ausgang 25 antivalent. Er führt also in diesem Fall keine Spannung. Der
Ausgang 25 ist mit dem Eingang 23 des Und-Gliedes 7' und über die Verzögerungsschaltung
16, 18 mit dem Eingang 24 verbunden. Der Kondensator 18 kann von dem Schaltverstärker
19, der vom Ausgang 26 gesteuert wird, kurzgeschlossen werden. Der Widerstand 1.7
dient zur Strombegrenzung.
-
Der Eingang 21 des Und-Gliedes 7' ist mit dem Schalter 20 verbunden,
der bei Abgabe eines Bremskommandos geschlossen wird. Der Ausgang des Und-Gliedes
7' wirkt auf die Schalteinrichtung 8, von der wiederum der Schalter 4 zum Kurzschließen
des Widerstandes 3 betätigt wird.
-
Die Anordnung arbeitet wie folgt: Beim Einschalten oder bei Wiederkehr
der Netzspannung ist der Schalter 4 geöffnet. Der Motor 1 nimmt einen durch die
Widerstände 2, 3 begrenzten hohen Anlaßstrom auf. Der Magnetverstärker 13 wird ausgesteuert,
und die abgegebenen von der RC-Schaltung 14, 15 geglätteten Ausgangsimpulse überschreiten
den Ansprechwert des nachgeschalteten Und-Gliedes 7'. Somit wird der Eingang 22
ausgesteuert.
-
Die hohe Spannungsdifferenz beim Einschaltvorgang zwischen Netzspannung
und der Motor-EMK steuert ebenfalls den stromsteuernden Magnetverstärker 9 aus.
Die von diesem abgegebenen, vom RC-Glied 10, 11 geglätteten Impulse überschreiten
die Zenerspannung der Diode 12, womit das Kippglied 27 anspricht. In diesem Fall
wird der Ausgang 25 spannungslos, und damit liegt auch am Eingang 23 des Und-Gliedes
7' kein Signal an. Ein Schließen des Schalters 20 kann in diesem Fall zu keiner
Betätigung der Schalteinrichtung 8 und damit des Schalfers 4 führen. Ferner wird
der Schaltverstärker 19 angesteuert, womit der Kondensator 18 schnell entladen wird.
Damit liegt auch am Eingang 24 des Und-Gliedes 7' kein Signal an..
-
Sobald nun die EMK des Mtors 1 einen bestimmten Wert überschreitet,
wird die Zenerspannung der Diode 12 nicht mehr erreicht. Das Kippglied 27 kippt
zurück, der Ausgang 25 erhält Spannung, während der Ausgang 26 spannungslos wird.
Damit erhält unverzögert der Eingang 23 des Und-Gliedes 7' einen den Ansprechwert
übersteigenden Steuerbefehl. Der entsprechende Steuerbefehl am Eingang 24 hingegen
erscheint erst mit einer durch die RC-Schaltung 16, 18 gegebenen Zeitverzögerung.
-
Wird nach Vorliegen des vorstehend beschriebenen Schaltzustandes der
Anordnung ein Bremsbefehl gegeben, wobei der Schalter 20 geschlossen wird, spricht
die Schalteinrichtung 8 an, und der Kontakt 4 schließt. Der Motor 1 erhält dann
die für die Erregung der Fahrmotoren benötigte erhöhte Leistung.
-
Bleibt nun, z. B. durch eine Stromschienenlücke, die Netzspannung
aus, so läuft der Umformermotor infolge seiner Schwungmasse zunächst als Generator
weiter und speist parallel zu ihm angeordnete in F i g. 2 nicht dargestellte Stromabnehmer.
Dabei wird der Strom des Motors 1 Null bzw. kehrt sich um. Der Ansprechwert des
Magnetverstärkers 13 wird unterschritten und als Folge davon der Eingang 22 des
Und-Gliedes 7 spannungslos. Die Einschaltbedingungen sind damit nicht mehr erfüllt.
Die Schalteinrichtung 8 spricht an, und der Kontakt 4 öffnet.
-
Bei Wiederkehren der Netzspannung steilt der stromsteuernde magnetische
Verstärker 9 fest, ob die Spannungsdifferenz an den Widerständen 2, 3 größer oder
kleiner als der vorgegebene Wert ist. Ist sie noch kleiner als dieser Grenzwert,
so kann die Schalteinrichtung 8 sofort wieder einschalten und damit den Kontakt
4 schließen. Ist sie jedoch größer als der vorgegebene Wert geworden, so schaltet
das Kippglied 27 um. Sei Ausgang 25 wird spannungslos, womit eine Bedingung für
das Und-Glied 7 entfällt. Der Schalter 4 bleibt geöffnet.
-
Gleichzeitig wird vom Ausgang 26 des Kippgliedes über den Schaltverstärker
19 der Kondensator 18 schnell entladen. Wird nun die Spannungsdifferenz nach dem
Anlauf des Motors 1 wieder kleiner und unterschreitet den vorgegebenen Wert, so
erfolgt das Schließen des Schalters 4 erst nach Ablauf der Zeitverzögerung, die
durch das RC-Glied 16, 18 gegeben ist.
-
Auf diese Weise wird erreicht, daß nach Stromschienenlücken die Anlaufstromspitzen
des Motors 1 keine unzulässig hohen Werte erreichen und trotzdem die volle, für
die Erregung der Bremse benötigte Leistung möglichst schnell wieder aus dem Generator
zur Verfügung steht.
-
An Stelle der in den Ausführungsbeispielen jeweils als Verknüpfungselemente
vorgesehenen Und-Glieder lassen sich ebenfalls auch Oder-Glieder vorsehen, sofern
in den Eingangs- und Ausgangskreisen des Oder-Gliedes die entsprechenden Negationen
vorgenommen werden.