DE1910667A1

DE1910667A1 - Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE1910667A1
Application number: DE19691910667
Authority: DE
Inventors: Mills John M
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1968-03-06
Filing date: 1969-03-03
Publication date: 1969-10-02
Also published as: US3559009A; SE346262B; ES363657A1; BE729199A; JPS5025211B1; GB1207765A; FR2003352A1

Description

DIPL.-INQ. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf-Eller Am Straussenkreuz 53 Postfach 124

Düsseldorf, 28. Febr. 1969 WE 36,899
6906

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pennsylvania, V.St.A.

Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Gleichstrommotors

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung von Gleichstromfahrmotoren, wie sie beispielsweise für den Antrieb von Schnellverkehrsfahrzeugen Verwendung finden, insbesondere ein statisches Steuersystem für Antriebsmotoren, das sich für den Einsatz in automatischen Zugsteuersystemen eignet.

Für den Antrieb tor Schnellverkehrsfahrzeugen werden allgemein Gleichstromreihenmotoren verwendet, die durch Veränderung der Spannung gesteuert werden, um eine gewünschte Geschwindigkeit und einen gewünschten Beschleunigungs- bzw. Verzögerungswert zu erhalten. In herkömmlichen Steuersystemen, wie sie bisher normalerweise verwendet wurden, erfolgt dies mit Hilfe eines mit den Motoren in Reihen liegenden Widerstandes, der schrittweise progressiv abgeschaltet wird, um die auf die Motoren einwirkende Spannung zu erhöhen. Die Motoren sind normalerweis© zunächst in Reihe geschaltet und werden dann, nach der Abschaltung des Widerstandes, wieder zu dem Widerstand parallelgeschaltet, worauf der Widerstand erneut schrittweise abgeschaltet wird_s um. die Motoren mit der vollea Spannung ssu beaufschlagen. Zur elektrischen Widerstandsbremsung werden die Motoren in einen Bremskreis mit einem Widerstand geschaltet, der stufenweise abgeschaltet wird, um den gewünschten

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Bremsstrom zu erhalten. Diese herkömmlichen Steuerungssysteme erfordern eine Vielzahl mechanischer Schalter oder Kontakte für das stufenweise Abschalten des Widerstandes sowie verwickelte Steuerschaltungen mit vielen Relais für die Steuerung der Kontakte für das stufenweise Abschalten der Widerstände in einer gewünschten Reihenfolge und für die Begrenzung der BescHleunigungs- und Bremswerte auf die gewünschte Größe. Diese herkömmlichen Systeme bedingen daher einen erheblichen Wartungsaufwand, um eine einwandfreie Arbeitsweise zu gewährleisten, und bringen im übrigen verhältnismäßig starre Werte für die Beschleunigung und Verzögerung mit sich, die sich nicht leicht anpassen oder ändern ψ lassen; hinzu kommt der Nachteil besonders hoher Verluste in den Widerständen während der Beschleunigung.

Es sind auch schon Motorsteuerungssysteme mit Zerhackern oder Unterbrechern (Choppern) vorgeschlagen worden, bei denen zur Steuerung des Stromes die Impulsbreite des Stromes oder aber die Impulsfrequenz verändert oder von einer Kombination dieser beiden Möglichkeiten Gebrauch gemacht wurde. Diese Systeme weisen jedoch bei der Anwendung für Gleichstromfahrmotoren viele Nachteile auf. Beispielsweise bringen diese Systeme eine verhältnismäßig große Welligkeit des Motorstromes mit sich, und ferner ist es schwierig, eine Steuerung über den gesamten Spannungsbereich vorzunehmen, während eine einfache Veränderung der Impedanz der ™ Quelle nicht möglich ist.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist in erster Linie die Schaffung eines verhältnismäßig einfachen Steuersystems für Gleiehstrorafahrmotoren, bei dem von Halbleiter- bzw, Festkörpersetialtelemehten Gebrauch gemacht wird, um den Motorstrom sowohl bei der Beschleunigung als auch bei der Verzögerung bsw. Bremsung in Abhängigkeit von einem Steuersignal zu steuern _t das etwa von einem automatischen Zugs teuer sys tem zur Verfügung gestellt wird«,

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Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Schaltungsanordnung zur Steuerung wenigstens eines Gleichstrommotors, mit einer zwischen dem Motor und einer Energiequelle liegenden Schaltvorrichtung, mit einem Signalgeber zur Lieferung einer für einen bestimmten Soll-Motorstrom repräsentativen Steuerspannung sowie mit einem Wandler zur Lieferung einer dem Ist-Motorstrom proportionalen Signalspannung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltvorrichtung eine Halbleiteranordnung vorgesehen und dieser eine Steuereinrichtung zugeordnet ist, die die Halbleiteranordnung bei die Steuerspannung unterschreitender Signalspannung in den leitenden, bei die Steuerspannung übersteigender Signalspannung in den gesperrten Zustand überführt.

Die dabei vorzugsweise als Zerhacker oder Unterbrecher (Chopper) ausgebildete Halbleiteranordnung wird lediglich in Abhängigkeit von dem Motorstrom gesteuert, so daß sowohl die Impulsbreite als auch die Impulsfrequenz eine Änderung erfahren können; der Zerhakker wird dabei in der zur Aufrechterhaltung des gewünschten mittleren Motorstromes erforderlichen Weise ein- oder ausgeschaltet, wobei die Welligkeit auf einen vorgegebenen Wert gebracht werden kann, der sich so klein machen läßt, wie das gewünscht wird. Dadurch wird ein einfaches Steuersystem erhalten, das durch ein Eingangssteuersignal gesteuert wird, um jeden Soll-Wert für den Strom zu erhalten, das in zufriedenstellender Weise über den gesamten Spannungsbereich arbeitet und dabei automatisch für eine Kompensation von Schwankungen in der Leitungsspannung oder Leitungsimpedanz sorgt, da die Steuerung den Motorstrom unabhängig von Schwankungen in der Zuleitung konstant hält. Die erfindungsgemäßeSteuerung sorgt aber außerdem dafür, daß die Motoren für den Fall eines Überschlags geschützt werden, da der Zerhacker dann unmittelbar in den Sperrzustand überführt wird, ohne daß das Ende eines festen Stromimpulses abgewartet werden müßte, so daß das Auftreten unzuläss ig hoher Stromströße in der gesamten Steuerungsanordnung verhindert wird.

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Zur Widerstandsbremsung werden die Motoren in einen Bremskreis geschaltet, der einen Bremswiderstand enthält, der wenigstens teilweise durch den Zerhacker überbrückt ist, der dann in der zur Erzielung des gewünschten Bremsstromes erforderlichen Weise einuhd ausgeschaltet wird. Der Zerhacker wird von einer Steuerspannung gesteuert, die von einem den Soll-Motorstrom repräsentierenden Stromsignal abgeleitet wird. Diese Steuerspannung wird mit einer den Ist-Motorstrom repräsentierenden Spannung verglichen, um Signale zu erhalten, die Ein- und Aus-Impulsgeneratoren auslösen (triggern), von denen dann Gateimpulse an den Zerhacker abgegeben werden, um diesen in der notwendigen Weise ein- oder auszuschalten. P Dies ermöglicht ein verhältnismäßig einfaches, vollständig statisches Steuersystem, das keine Widerstände für die Beschleunigung und keine Umschaltung der Motoren von Reihen- in Parallelbetrieb bzw. umgekehrt erfordert. Die Werte für die Beschleunigung und Verzögerung oder Bremsung können unbegrenzt verändert werden, wobei eine solche Änderung oder Anpassung jederzeit leicht durch eine entsprechende Änderung des Steuersignals hervorgerufen werden kann. Da das Steuersystem vollständig statisch ist, wobei Halbleiteroder Festkörperelemente hoher Zuverlässigkeit verwendet werden können, ist nur ein kleiner Wartungsaufwand erforderlich, während andererseits eine lange Lebensdauer erhalten wird.

^ Die Erfindung wird nachstehend zusammen mit weiteren Merkmalen anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild, das die grundsätzliche Schaltung der Fahrmotoren bei Betrieb erkennen läßt;

Fig. 2 ein ähnliches Schaltbild bei Bremsung;

Fig. 3 ein Schematisches Schaltbild einer typischen Motorschaltung; und

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Fig. 4 ein Schaltbild der Steuerschaltungen für den Zerhacker.

Fig. 1 gibt in vereinfachter Darstellung die grundsätzliche Verbindung der Motoren mit der Energiequelle wieder. Zwei Motoren Ml und M2 sowie zwei zugehörige Feldwicklungen Fl bzw. F2 sind miteinander in Reihe geschaltet, In ähnlicher Weise liegen in einem zweiten Zweig zwei Motoren M3 und M4 sowie zwei zugehörige Feldwicklungen F3 bzw. F4 hintereinander. Der erste Zweig mit den Motoren Ml

andererseits., und M2 einerseits und der zweite Zweig mit den Motoren M3 und M4/ sind zueinander parallelgeschaltet. Die Parallelschaltung von zwei Paar Motoren entspricht der für Antriebsmotoren\on Schnellverkehrswagen oder -zügen üblichen Praxis, jedoch versteht es sich, daß sich das System auch für einen Einzelmotor oder jede beliebige größere Anzahl von Motoren anwenden läßt, die dabei in jeder gewünschten Weise miteinander verbunden sein können. Es ist jedoch zu bemerken, daß hier nicht wie bei herkömmlichen Steuerungen während des Betriebes ein Wechsel von Reihen- zu Parallelschaltung oder umgekehrt erfolgt. Eine in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Gleichstromzerhacker oder -unterbrecher (Chopper) 1 wiedergegebene schaltende Halbleiteranordnung ist in Reihe zwischen die Motoren und die Energiequelle geschaltet, zusammen mit einer zur Glättung des Motorstromes dienenden Induktivität 2. Das andere Ende der Schaltung ist in üblicher Weise mit Erde verbunden. Parallel zu den Motoren und der Induktivität 2 ist in der dargestellten Weise eine freilaufende Diode 3 geschaltet.

Der Zerhacker kann dann jeden beliebigen geeigneten Aufbau haben, jedoch ist hier eine bevorzugte Ausführungsform dafür wiedergegeben. Danach weist der Zerhacker 1 einen zur Führung des gesamten Motorstromes geeigneten Thyristor 4 auf, dem in der gezeigten Weise ein abwechselnd umgeladener Kondensator 5 und ein Sperrthyristor 6 parallelgeschaltet sind. Parallel zu dem Thyristor 6 liegen in Reihe ein entgegengesetzt gepolter Thyristor 1 und ©ine Induktivität 8. Bei Betrieb des Zerhackers 1 wird zunächst der Thyristor 6 ge-

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zündet, so daß er in den leitenden Zustand übergeht. Dies läßt den Kondensator sich über die Zuleitung aufladen, bis der Kondensator 5 voll geladen ist. Zu diesem Zeitpunkt geht der Strom durch Null, so daß der Thyristor 6 sperrt. Der Zerhacker ist dann betriebsbereit und wird durch gleichzeitiges Zünden der Thyristoren 4 und 7 in den leitenden Zustand gebracht. Dadurch kann der Strom über den Thyristor 4 zu den Motoren fließen. Gleichzeitig wird über die Induktivität und den Thyristor 7 ein durch den Kondensator 5 vervollständigter Schwingkreis geschlossen. Von dem Kondensator 5 fließt Strom durch den Thyristor 4 zu der Induktivität 8 und zurück zu Kondensator, so daß die Kondensatorladung an die Induktivität von dort zurück an den Kondensator abgegeben wird, so daß der densator mit umgekehrter Polung wieder aufgeladen wird. Dieser Strom hört dann auf zu fließen, so daß der Thyristor 7 sperrte Es versteht sich, daß dieser gesamte Vorgang des Einschaltens des Thyristors und der Ladungsumkehr in dem Kondensator sehr schE©ll stattfindet, d.h. in wenigen/üsec. Der Zerhacker findet sich in seinem Ein- oder leitenden Zustand, wobei der volle Motorsi durch den Thyristor 4 und über die Motoren nach Erde fließt. Sperrung des Zerhackers wird der Thyristor 6 gezüadet« Dadurch wird ein Stromkreis von dem sich umladenden Kondensator 5 zu dem Thyristor 4 geschlossen und die umgekehrte Spannung des Kondensators an den Thyristor 4 gegeben, so daß dieser sperrt. Der Kondensator 5 lädt sich dann wieder von der Zuleitung her in der vorbeschriebenen Weise auf, wobei der Ladestrom durch den Thyristor 6 fließt, bis der Kondensator wieder aufgeladen ist, so daß der Strom gegen Null geht und der Thyristor 6 sperrt. Der Zerhacker 1 befindet sich dann in seinem Aus- oder nicht leitenden Zustand und steht zur erneuten Einschaltung in der vorstehend beschriebenen Weise bereit.

Bei Betrieb des Schaltungsaufbaus wird der Zerhss&es⁰ 1 zunächst in den leitenden Zustand überführt, uta die Motoren ait der vellea Netzspannung zu beaufschlagen, so daß der üotorstrom au fließen beginnt und die Motoren anlaufen und den (TriebtWagen beschleunigen.

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Wenn der Motorstrom bis auf einen bestimmten Soll-Wert angestiegen ist, wird der Zerhacker oder Unterbrecher 1 durch den nachstehend beschriebenen Schaltkreis gesperrt, so daß die Energiezufuhr zu
den Motoren unterbrochen wird. Infolge der hohen Induktivität des Motors kann der Motorstrom jedoch nicht unmittelbar auf Null absinken, sondern er fällt mit verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit ab. Die freilaufende Diode 3 ist vorgesehen, um diesen Vorgang zu ermöglichen. Wenn der Zerhacker sich im leitenden Zustand befindet, liegt die Diode 3 im Verhältnis zu der Netzspannung in Sperrzehtung, so daß sie von keinem Strom durchflossen wird. Bei Sperrung des Zerhackers bildet die Diode 3 jedoch einen Pfad für den Motorstrom, so daß über die Motoren, die Diode 3 und die Induktivität 2 eine Stromschleife gebildet wird und der Motorstrom somit mit einer durch/Gegen-EMK der Motoren und der Induktivität des Kreises bestimmten Geschwindigkeit abfällt. Wenn der Strom
dann auf einen vorgegebenen Wert abgefallen ist, wird der Zerhakker 1 durch die Steuerschaltung wieder in den leitenden Zustand
gebracht, so daß der Motorstrom von neuem anzusteigen beginnt, bis er den vorgegebenen Wert erreicht, bei dem der Zerhacker sperrt. Dieser Vorhang setzt sich dann in der angegebenen Weise weiter
fort, und da es sich bei dem Zerhacker um eine Halbleiterschaltung handelt, die sich eine unbegrenzte Anzahl von Malen ohne Schädigung sehr schnell ein- und ausschalten läßt, ist eine sehr große Wiederholgeschwindigkeit möglich. Durch Ein- und Ausschalten des Zerhackers entsprechend dem Motor strom kann der mittlere Strom genau auf einem gewünschten, einer gewünschten Geschwindigkeit oder einem gewünschten Beschleunigungswert entsprechenden Niveau mit
einer gewünschten Welligkeit oder Schwankung zwischen den Motorwerten, bei denen der Zerhacker ein- und ausgeschaltet wird, gehalten werden.

Zur elektrischen Widerstandsbremsung werden die Motoren in einer Bremsschaltung miteinander verbunden, wie sie in vereisfachter
Form mit Fig. 2 wiedergegeben ist. Diese mehr oder weniger herkömmliche Bremsschaltung enthält zwei Stromschleifen, in denen sich je-

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weils die Anker von zwei der Motoren sowie die Feldwicklung der anderen beiden Motoren befinden und die einen gemeinsamen Zweig mit einem Bremswiderstand haben. Beim Bremsen werden die Üotoren ■ als Generatoren durch den Wagen angetrieben, so daß in jeder der ^;" beiden Stromschleifen und durch den Bremswiderstand ein StTöm^: fließt, wobei die Bremskraft durch den Motorstrom bestimmt wird und die Bremsenergie in dem Widerstand vernichtet wird. Gemäß ' der vorliegenden Erfindung besteht der Bremswiderstand aus einem verhältnismäßig großen Widejstand 9 und einem 'verhältnismäßig kleinen Widerstand 10, der immer in dem Stromkreis bleibt. Der Zerhacker ist über den Widerstand 9 angeschlossen, so daß der ^: Widerstand 9 bei Einschaltung des Zerhäckers kurzgeschlossen und ^s damit aus dem Stromkreis herausgenommen wird, während er bei Sperrung des Zerhackers wieder in den Kreis eingeschaltet wird. Beim Bremsen wird der Zerhacker im wesentlichen in ^;der gleichen Weise wie bei Antrieb der Motoren gesteuert. Wenn der durch den gemeinsamen Zweig der beiden Stromschleifen fließende Mötorström den gewünschten oder Soll-Wert überschreitet, so wird der Zerhakker gesperrt und somit der Widerstand 9 in den Stromkreis eingeschaltet. Der Strom nimmt infolge des erhöhten Widerstandes ab. ■ Sobald er dabei auf den vorgegebenen unteren Grenzwert abgesunken ist, wird der Zerhacker wieder eingeschaltet -, um den Widerstand 9 aus dem Stromkreis herauszunehmen, so daß der Strom wieder ansteigt. Dieser Vorgang wird durch Ein-und Ausschalten des Zerhackers in der für de Einhaltung des gewünschten mittleren Motorstromes erforderlichen Weis e wiederholt. -

Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Schaltungsanordnung für die Motoren Ml, M2, M3 und M4 in einem praktischen Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Steuersystem für den Antrieb von Schnellverkehrsmitteln. Wie ersichtlich, hat diese Schaltungsanordnung im wesentlichen den gleichen Aufbau wie die Grundschaltung der Fig. 2, wobei jedoch zusätzlich eine Gruppe von Leistungs- oder Antriebskontakten 11, 12 und 13 sowie von Bremskontakten 14, 15 und 16 vorgesehen sind. Die Leistung wird von einer dritten Schiene oder

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einer Oberleitung 17 aus über einen Stromabnehmer 18 zugeführt, der über einen Leitungsschalter 19 in der gezeigten Weise mit dem Zerhacker 1 verbunden ist. Wie ersichtlich, erhält man bei Schließung der Leistungskontakte und des Leitungs- oder Trennschalters 19 den Äntriebskreis der Fig. 1. Werden die Kontakte 14, 15 und 16 geschlossen, wobei der Leitungsschalter 19 offen ist, so wird der Bremskreis der Fig. 2 erhalten. Für die Betätigung der Kontakte und um für die notwendigen Verriegelungs- und Sicherheitsmaßnahmen zu sorgen, kann jede geeignete Steuerschaltung eingesetzt werden.

Wie bereits erwähnt, stellt die Schaltungsanordnung der Fig. 3 eine sehr weitgehend vereinfachte Ausführung dar, bei der bestimmte mehr oder weniger herkömmliche Einzelheiten fortgelassen wurden. So müßten beispielsweise die Feldwicklungen Fl, F2, F3 und F4 normalerweise über Umkehrschalter verbunden sein, um den Wagen entweder in Vorwärts- oder in Rückwärtsrichtung betreiben zu können. Ebenso müßten an sich Schaltelemente für die Überbrückung der Feldwicklungen sowohl Im Antriebs- als vorzugsweise auch im Bremszustand sowie verschiedene überlastungs- und Schutzeinrichtungen vorgesehen sein. Da diese Merkmale jedoch keinen Teil der. vorliegenden Erfindung bilden, soll darauf im einzelnen nicht weiter eingegangen werden, um das Verständnis nicht unnötig zu erschweren.

Der gesamte Hotorstrom wird sowohl im Antriebs- als auch im Bremszustand mittels eines Wandlers 20 gemessen, der in der gezeigten Weise zwischen den Zerhacker 1 und die Induktivität 2 geschaltet ist, so daß er in beiden Richtungen den Motorstrom führt. Der Wandler kann jeden beliebigen Aufbau haben und ist mit einem sättigbaren Kern 21, der so angeordnet ist, daß er mit dem von dem Motorstrom erzeugten Fluß verkettet werden kann, sowie mit einer Wechselspannungswicklung 22 versehen. Der die Wicklung 22 durchfließende Strom ist dann dem' Motorstrom proportional. Die Ausgangsleitungen 23 und 24 des Wandlers sind mit dem Steuerkreis verbunden, an den sie ein den Ist-Motorstrom repräsentierendes Signal liefern.

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Der Zerhacker 1 wird in der vorstehend beschriebenen Weise ein- und ausgeschaltet. Das heißt, der Zerhacker wird eingeschaltet, indem gleichzeitig Gateimpulse zu den Gateelektroden der Thyristoren 4 und 7 über Leitungen 25 bzw. 26 geliefert werden, während die Sperrung des Zerhackers durch Lieferung eines Gateimpulses an die Gateelektrode des Thyristors 6 über eine Leitung 27 er- ±>lgt. Die Impulse für das Ein- und Ausschalten der Thyristoren werden durch die nachstehend zu beschreibende Steuerschaltung in Abhängigkeit von dem Motorstrom zugeführt.

Der Zerhacker wird in der erforderlichen Weise durch die Steuerschaltung nach Fig. 4 ein- und ausgeschaltet. Der Zerhacker wird ψ dabei durch Gateimpulse gesteuert, die von einem Aus-Impulsgenerator 28 und einem Ein-Impulsgenerator 29 erhalten werden. Schaltsignale für die Betätigung der Impulsgeneratoren, so daß diese die erforderlichen.Gateimpulse an den Zerhacker liefern, werden von einer Steuerschaltung erzeugt, die in der Weise wirkt, daß der Ist-Motorstrom mit einem Signal verglichen wird, das den Soll-Motorstrom repräsentiert, und sodann ein entsprechendes Signal an die Impulsgeneratoren gegeben wird, um je nach Bedarf den Zerhakker einzuschalten oder zu sperren.

Die Schaltung wird durch ein über eine Leitung 31 zugeführtes Steuersignal gesteuert. Das Steuersignal liegt vorzugsweise in Form eines Signalsstromes vor, der von einem automatischen Zugsteue-" rungssystem beliebiger Ausführung erhalten werden kann, etwa dadurch, daß Signale von einer längs der Fahrstrecke aufgestellten Steuerung empfangen werden oder durch A^nahiae von einem von dem (TriebtWagen mitgeführten und manuell oder auch automatisch betätigten Steuerorgan. Die Größe des als Strom auftretenden Steuersignals repräsentiert den Soll-Motorstrom oder die Soll-Bremskraft, um den Soll-Beschleunigungs- oder Verzögerungswert zu erhalten. Die Geschwindigkeit und der Beschleunigungs- oder Verzögerungswert für den Wagen werden daher durch Einstellung der Größe des über den Leiter 31 eintreffenden Steuersignalstromes bestimmt.

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Von dem über den Leiter 31 fließenden Strom wird eine Steuerspannung abgeleitet," die schematisch als Spannung gezeigt ist, die an einem Widerstand 32 abfällt, der dabei als veränderlicher Widerstand dargestellt ist, um die Veränderlichkeit der Steuerspannung anzudeuten. Es versteht sich, daß das Steuersignal sich abrupt ändern kann, um den Wert der Beschleunigung zu ändern oder aber von der Beschleunigung zum Bremsen¹ überzugehen, und da die hier beschriebene Steueranordnung in der Lage ist, Änderungen des Steuersignals nahezu augenblicklich zu folgen, muß der Wert der änderung der Steuerspannung auf einen für die Sicherheit und Bequemlichkeit der Fahrgäste annehmbaren Wert begrenzt werden. Aus diesem Grunde wird die Steuerspannung 32 durch eine Stoßbegrenzungsschaltüng 33 modifiziert. Diese Schaltung kann jeden geeigneten Aufbau haben, mit dessen Hilfe der Wert der Änderung der Steuerspannung 32 auf ein annehmbares Maximum begrenzt und eine Ausgangsspannung abgegeben werden kann, die für das so modifizierte Steuersignal repräsentativ ist.

Ferner ist es klar, daß die notwendige Antriebs- cder Bremskraft ■ für einen bestimmten Beschleüiiiguhgs- oder Verzögerungswert sich mit dem Gewicht oder der Belastung des Wagens ändert „ so dafä es deshalb notwendig ist, die Steuerspannung weiter dahingehend zu modifizieren , daß der tatsächlich"erhaltene Motorstrom den Wert hat, der zur Erzeugung des gewünschten Beschleunigungs- oder Verzögerungswertes zu einem bestimmten Zeitpunkt für eine bestimmte Belastung oder ein bestimmtes Gewicht·des Wagens notwendig ist. Das von der- Stoßbegrenzungsschaltung erhaltene Spannungssignal wird daher mif Hilfe einer Lastwägungsschaltung 34 weiter modifiziert, die das Gewicht des Wagens mißt und das Signal entsprechend modifiziert, wobei solche Schaltungen allgemein bekannt sind. Die Aus-,"gangsspannurig ^:der Lastwägungsschaltung 34 stellt daher eine geeignete modifizierte Steuerspannung dar, die von dem Steuersignal abgeleitet ist .und den Motorstrom repräsentiert, der zur Erzielung

::fles von dem Steuersignal verlangtenBescbleunigungs- oder Verzögerungswertes nötwendig ist. " . . -- .'■--■ . ν .:

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Diese Steuerspannung beaufschlagt die Steuerschaltung 30, durch die sie mit dem Ist-Motorstrom verglichen wird. Eine dem Motorstrom proportionale Signalspannung wird, wie weiter oben erläutert, von dem Wandler 20 geliefert. Die Ausgangsleitungen 23 und 24 der Wandlerwicklung sind mit einer geeigneten Wechselspannungsquelle 35 verbunden, die von der Fahrzeugbatterie in Verbindung mit einem Wechselrichter gebildet sein kann. Der Ausgangsstrom des Wandlers wird über eine Gleichrichterbrücke 36 gleichgerichtet. Der Gleichstromausgang der Gleichrichterbrücke 36 liefert daher an die Steuerschaltung 30 eine dem Motorstrom proportionale Spannung.

Die Steuerschaltung 30 weist drei in Reihe geschaltete Widerstandselemente auf. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind diese drei Elemente von einer Zenerdiode 37, von einem ohmschen Widerstand 38 und einem Kondensator 39 gebildet. Dps von dem Gleichrichter 36 gelieferte Signal beaufschlagt die Reihenschaltung aus Zenerdiode und Widerstand 38 in der gezeigten Weise, während die von dem Steuersignal (des Leiters 31) abgeleitete Steuerspannung auf den Kondensator 39 einwirkt. Die Signalspannung und die Steuerspannung sind mit zu der Angabe in der Zeichnung entgegengesetzter Polarität wirksam. Wenn der Ist-Motorstrom genau gleich groß wie der Soll-Motorstrom ist, so daß die Steuerspannung gleich der Signalspannung der Gleichrichterbrücke 36 ist, so ist die an den drei in Reihe liegenden Widerstandselementen abfallende resultierende Spannung Null. Wenn der Motorstrom sich' ändert, so daß er größer oder kleiner als der Soll-Wert wird, so erscheint an der Diode 37 und dem Widerstand 38 eine resultierende Spannung. Diese resultierende Spannung wird verwendet, um Schaltsignale an die Impulsgeneratoren 28 und 29 zu liefern. Zu diesem Zweck ist ein Leiter 40 mit der Kathode mi% der Diode 37 verbunden, der an den Ein-Impulsgenerator 29 ein Schaltsignal liefert, während an die Stelle der Verbindung zwischen der Diode 37 und dem Widerstand 38 ein Leiter 41 angeschlossen ist, um ein Schaltsignal an den Aus-Impulsgenerator 28 zu liefern.

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Ist nun die an dem Widerstand 38 und der Diode 37 abfallende Signälspannung größer als die Steuerspannung an dem Kondensator 39, so tritt an dem Leiter 40 eine resultierende Spannung mit positivem Vorzeichen auf. Nimmt der Motorstrom dagegen ab, so daß die Spannung an der Diode 37 und dem Widerstand 38 kleiner als die an dem Kondensator 39 anstehende Steuerspannung wird, so geht die Spannung des Leiters 40 ins Negative, was den Ein-Impulsgenerator 29 auslöst, so daß der Zerhacker 1 in den leitenden Zustand übergeht und der Motorstrom zunehmen kann. Ist der Motorstrom um einen Betrag größer geworden, der der an der Diode 37 abfallenden Spannung entspricht, so wird die Spannung des Leiters 41 positiv, was nunmehr den Aus-Impulsgenerator 28 auslöst und damit zur Sperrung des Zerhackers 1 führt. In dieser Weise wird der Zerhacker in der für die Einhaltung des gewünschten mittleren Motorstromes erforderlichen Weise ein- und ausgeschaltet.

Der Spannungsabfall an der Diode 37 repräsentiert den Unterschied zwischen den Werten des Motorstroms, bei denen der Zerhacker ein- bzw. ausgeschaltet wird und bestimmt somit die Welligkeit des Motorstromes bzw. die Differenz zwischen dem Maximal- und dem MLnimalwert des Stromes. Die gezeigte Zenerdiode hat einen im wesentlichen konstanten Spannungsabfall, so daß auf diese Weise eine konstante Welligkeit gewährleistet ist. Statt der Zenerdiode 37 können jedoch auch andere, einen Widerstand aufweisende Elemente Verwendung finden. So können beispielsweise andere Halbleiterelemente, wie eine Reihenschaltung von Dioden mit einem im wesentlichen konstanten Durchlaßspannungsabfall oder aber ein Widerstand geeigneter Größe eingesetzt werden. Werden Halbleiterelemente verwendet, so hat die Welligkeit im wesentlichen eine konstante, durch den Spannungsabfall an den Halbleiterelementen bestimmte Größe. Wird ein Widerstand verwendet, so ändert sich der Spannungsabfall daran natürlich mit dem Strom, so daß die Welligkeit nicht einen konstanten Wert hat, sondern einen konstanten Prozentsatz des Stromes ausmacht. Der Betrag der Welligkeit kann jedenfalls durch geeignete Wahl des Widerstandswertes der Diode 37 bzw. eines statt dessen

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verwendeten Widerstandselementes so klein wie gewünscht gemacht werden.

Die Wirkungsweise der Impulsgeneratoren 28 und 29 ist im wesentlichen gleich; in beiden Fällen wird bei Auslösung durch die Steuerschaltung 30 ein Ausgangsimpuls abgegeben. An sich komiiit jede geeignete Ausführung eines Impulsgenerators, die den Anforderungen entspricht, in Frage, jedoch wird den besonderen, mit Fig. 4 veranschaulichten Generatoren infolge ihres vorteilhaften Verhaltens der Vorzug gegeben. Ein Impulsgenerator für die Steuerung eines Gleichstromzerhackers zur Steuerung von Motoren muß ziemlich genauen Forderungen entsprechen. Ein Impulsgenerator für einen solchen Verwendungszweck muß eine hohe Eingangsimpedanz und eine kurze Ansprechzeit haben, außerdem zu einer schnellen Wiederholung fähig sein. Ferner müssen die Ausgangsimpulse eine kurze Anstiegszeit haben und dabei eine ausreichende Stromgröße besitzen,, um die Thyristoren mit Sicherheit und zuverlässig zu zünden. Die gezeigten Impulsgeneratorschaltungen entsprechen allen diesen Anforderungen in sehr befriedigender Form.

Der Aus-Impulsgenerator 28 hat einen Transistor^ 42, dessen Basis über den Leiter 41 mit den Aus-Schaltsignalen beaufschlagt werden kann. Der Kollektor des Transistors 42 ist über einen Strombegrenzungswiderstand 43 an eine geeignete Gleichspannungsquelle, etwa die Fahrzeugbatterie 44, angeschlossen, während sein Emitter an Masse liegt. Der Kollektor des Transistors 42 ist, vorzugsweise über eine Zenerdiode 45, mit der Basis eines Transistors 46 gekoppelt , dessen Kollektor über einen Widerstand 47 ebenfalls an der Gleichspannungsquelle liegt. Der Kollektor des Transistors 46 ist außerdem an einen Kondensator 48 angeschlossen, der über einen Leiter 49 mit einer Durchbruchsdiode 50 verbunden ist« Bin weiterer Transistor 51 ist mit seiner Basis über einen Widerstand 52 und einen Kondensator 53 an Masse angeschlossen, während sein Kollektor über einen Widerstand 54 an der Gleichstromquelle liegt. Der Kollektor des Transistors 51 steht außerdem mit der Basis eines Transistors 55 in Verbindung, dessen Kollektor mit der Gleichspan-

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nungsquelle verbunden ist und dessen Emitter über einen Kondensator 56 an Masse liegt, so daß der Kondensator 56 von der Gleichspannungsquelle aus über den Transistor 55 aufgeladen wird. Der Emitter des Transistors 55 ist außerdem über eine Sperrdiode 57 an den Leiter 49 einerseits und die Anode der Durchbruchsdiode 50 andererseits angeschlossen. Die Durchbruchsdiode 50 ist einmal mit der Ausgangsleitung 27, zum anderen über eine Diode 58 und einen Widerstand 59 mit dem aus dem Widerstand 52 und dem Kondensator bestehenden RC-Kreis verbunden.

Bei Betrieb des Impulsgenerators 28 werden die Kondensatoren 48 und 56 zunächst geladen. Befindet sich der Transistor im nicht leitenden Zustand, so erhält der Transistor 46 eine öffnende Basisspannung und ist damit leitend, so daß der Kondensator 48 über den Transistor 46 geerdet wird. Wenn nun ein positives Signal die Basis des Transistors 42 beaufschlagt, so wird dieser leitend, während der Transistor 46 sperrt. Die Spannung des Kondensators beaufschlagt dann, zusammen mit der Spannung der Gleichspannungsquelle,die Durchbruchsdiode 5O über den Leiter 49_; Da die Diode auf diese Weise im wesentlichen mit der doppelten Spannung der Gleichspannungsquelle beaufschlagt wird, wird diese Diode 50 leitend, so daß an der Leitung 27 ein Ausgangsimpuls auftritt. Dieser Impuls wirkt über die Diode 58 auch auf den RC-Kreis 52, 53 ein und sctaltet dabei den Transistor 51 für eine kurze, durch die Konstanten des RC-Kreises bestimmte Zeit ein. Das führt wiederum zu einer Sperrung des Transistors 55 und zu einer Entladung des Kondensators 56 über die Diode 57 und die Durchbruchsdiode 50. Der Kondensator 56 kann größer als der Kondensator 48 sein und sorgt für den gewünschten Strom und die gewünschte Dauer des Ausgangsimpulses des Impulsgenerators. Sperrung des Transistors 55 während der Dauer des Impulses ermöglicht eine vollständige Entladung des Kondensators 56. Wird der Transistor nach dem kurzen oben erwähnten Zeitintervall wieder gesperrt, so wird der Transistor 55 leitend , so daß sich der Kondensator 56 über den Transistor 55 auflädt. Der Kondensator 48 wird ebenfalls wieder über die Diode 57 und

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den Leiter 49 geladen und damit für einen neuen Zyklus beim Eintreffen eines weiteren positiven Signals an dem Transistor 42 vorbereitet. Der Impulsgenerator 28 erftl.lt damit die oben aufgestellten Forderungen, da seine Einschaltzeit nur von der extrem kurzen Schaltzeit der Transistoren 42 und 46 abhängt und er somit eine sehr kurze Ansprechzeit besitzt, während der erzielbare Wiederholungswert und Größe sowie Dauer des Impulsstromes durch die Wahl der Komponenten bestimmt werden, so daß leicht alle notwendigen Werte erhalten werden können.

Der Ein-Impulsgenerator 29 ist im wesentlichen der gleiche wie der Aus-Impulsgenerator 28, so daß entsprechende Teile in Fig. 4 auch wieder mit entsprechenden Bezugszeichen versehen sind, die sich jedoch jeweils durch einen Strich (') unterscheiden. Jedoch ist in dem Impulsgenerator 29 der Kollektor des Transistors 42» mit der Basis des Transistors 46* über einen Kondensator 6O verbunden. In dem Impulsgenerator 29 befindet sich der Transistor 42¹ normalerweise im leitenden Zustand und wird gesperrt, um einen Ausgangsimpuls zu erzeugen. Bei Einschaltung des Transistors 42* wird der Kondensator 60 an Masse angeschlossen, so daß dem Transistor 46* keine öffnende Basisspannung zugeführt wird und der Transistor 46* sich normalerweise im nicht leitenden Zustand befindet und der Kondensator 48* nicht geladen ist. Wenn die Spannung bzw. das Potential des Leiters 40 ins Negative geht, um den Impulsgenerator 29 auszulösen, so wird der Transistor 42* gesperrt, so daß durch den Kondensator 60 und den Basis-/Emitterübergang des Transistors 46* ein Ladestrom fließt, der den Transistor 46* vorübergehend leitend werden läßt, so daß sich der Kondensator 48* von der Gleichspannungsquelle her über den Transistor 55* und den Leiter 49* aufladen kann. Sobald aich der Kondensator 60 aufgeladen hat, hört der Ladestrom auf zu fließen, so daß der Transistor 46* sperrt. Die nun in dem Kondensator 48* befindliche Ladung wirkt dann zusammen mit der Spannung der Gleichspannungsquelle auf die Durchbruchsdiode 50* ein, so daß in der gleichen Weise wie in Verbindung mit dem Impulsgenerator 28 beschrieben. ein Ausgangsimpuls erzeugt wird.

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Der von dem Ein-Impulsgenerator 29 erzeugte Impuls beaufschlagt über Leitungen 25 und 26 die Gateelektroden der Thyristoren 4 und 7 des Zerhackers 1 in Fig. 3_f so daß der Zerhacker in der vorstehend beschriebenen Weise eingeschaltet wird. Der von dem Aus-Impulsgenerator 28 erzeugte Ausgangsimpuls erscheint an der mit der Gateelektrode des Thyristors 6 verbundenen Leitung 27 und sperrt den Zerhacker 1. Die Impulsgeneratoren wirken daher nach Betätigung durch Auslösesignale von der Steuerschaltung 30 in der Weise, daß sie die notwendigen Gateimpulse liefern, um den Zerhacker 1 so ein- oder auszuschalten, wie das erforderlich ist, um den Motorstrom in der oben beschriebenen Weise auf den gewünschten Mittelwert zu halten. Die Leitungen 25, 26 und 27 können mit den Thyristoren über Isoliertransformatoren verbunden sein.

Zusammengefaßt betrachtet wirkt das gesamte System folgendermaßen. Das auf den Leiter 31 einwirkende Steuersignal wird verwendet, um eine Steuerspannung zu erhalten, die durch die Stoßbegrenzungsschaltung 33 sowie die Lastwägungsschaltung 34 modifiziert und dann auf die Steuerschaltung 30 gegeben wird. Eine dem Motorstrom proportionale Spannung wird über den Wandler 20 abgenommen und ebenfalls der Steuerschaltung 30 zugeführt. Ist der Motorstrom kleiner als der Soll-Wert, so ist auch die von dem Wandler 20 abgegebene Spannung kleiner als die Steuerspannung, so daß an dem Leiter 40 eine negative Spannung auftritt, die den Ein-Impulsgenerator 29 auslöst, der dann über die Leitungen 25 und 26 Impulse für die Einschaltung des Zerhackers 1 abgibt. Steigt der Motorstrom dagegen um einen dem Spannungsabfall an der Zenerdiode 37 bzw. einem entsprechenden anderen Widerstand entsprechenden Betrag über den Soll-Wert hinaus an, so tritt an dem Leiter 41 eine positive Spannung auf, die dann den Aus-Impulsgenerator 28 auslöst, so daß dieser über die Leitung 27 einen Ausgangsimpuls zur Sperrung des Zerhackers 1 abgibt. In dieser Weise wird der Zerhacker lediglich in Abhängigkeit von dem Motorstrom ein- und ausgeschaltet, um den Strom auf des Soll-Mittelwert zu halten.

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Bei Schaltung der Motoren auf Betrieb oder Fahrt, wie das in Fig. gezeigt ist, werden die Motoren dadurch dann einmal mit der Energiequelle verbunden, so daß der Strom zunehmen kann, zum anderen dann von der Energiequelle getrennt, um den Strom über die freilaufende Diode 3 abfallen zu lassen, so daß der mittlere Motorstrom erhalten bleibt, der die gewünschte Geschwindigkeit oder den gewünschten Beschleunigungswert entsprechend dem über den Leiter 31 einwirkenden Steuersignal gewährleistet. In der Bremsschaltung entsprechend Fig. 2 wird der Widerstand 9 mit Hilfe des Zerhackers 1 in den Stromkreis eingeschaltet bzw. aus diesem Stromkreis geschaltet, um den Motorstrom innerhalb der dem Spannungsabfall an der Diode 37 entsprechenden Grenzen ansteigen und abfallen zu lassen und den mittleren Bremsstrom auf dem durch das Steuersignal vorgeschriebenen Soll-Wert zu halten.

Damit steht aber ein Steuersystem für Gleichstromfahrmotoren zur Verfügung, das viele Vorzüge besitzt. Das Steuersystem ist durch seine Verwendung zuverlässiger Halb leiterelemente vollkommen statisch und verhältnismäßig einfach. Die für die Verzögerung und die Beschleunigung erhältlichen Werte sind unbegrenzt veränderlich und lassen sich durch Änderung des Steuersignals bequem anpassen, so daß sich sowohl der gesamte Bereich der Geschwindigkeitssteuerung des Wagens leicat beherrschen als auch innerhalb dieses Bereiches jeder gewünschte Beschleunigungs- oder Verzögerungswert bzw. jede gewünschte Fahrgeschwindigkeit bequem einstellen läßt. Das System ist einfach und erfordert keine Widerstände zur Steuerung der Beschleunigung, so daß Leistungsverluste und andere unerwünschte Auswirkungen solcher Widerstände beseitigt werden. Ferner ist keine Umschaltung der Motoren von Reihen- in Parallelbetrieb oder umgekehrt erforderlich wie in herkömmlichen Systemen. Das System eignet sich in besonderer Weise für automatische Zugsteuersysteme, da es nur ein einfaches Steuersignal in Form eines veränderlichen Stromes erfordert, der steh· unmittelbar von jeder Art automatischem Zugsteuersystem oder aber von einem von dem Wagen mitgeführten Steu-

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erschalter beliebiger Bauart erhalten werden kann. Ein solches Steuersystem erfordert nur einen geringen Wartungsaufwand, besitzt jedoch eine große Zuverlässigkeit, eine lange Lebensdauer sowie eine erhöhte Leistungsfähigkeit.

Patentansprüche:

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Claims

P atentansprüche

Schaltungsanordnung zur Steuerung wenigstens eines Gleichstrommotors, mit einer zwischen dem Motor und einer Energiequelle liegenden Schaltvorrichtung, mit einem Signalgeber zur Lieferung einer für einen bestimmten Soll-Motorstrom repräsentativen Steuerspannung sowie mit einem Wandler zur Lieferung einer dem Ist-Motorstrom proportionalen Signalspannung, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltvorrichtung eine Halbleiteranordnung vorgesehen und dieser eine Steuereinrichtung zugeordnet ist, die die Halbleiteranordnung bei die Steuerspannung unterschreitender Signalspannung in den leitenden, bei die Steuerspannung übersteigender Signalspannung in den gesperrten Zustand überführt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Schaltungsaufbau für die Einhaltung einer konstanten Differenz zwischen dem Wert der Signalspannung, bei dem die Halbleiteranordnung leitend wird, und dem Wert der Signalspannung, bei dem die Halbleiteranordnung in den gesperrten Zustand überführt wird.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalspannung zwei in Reihe geschaltete Widerstandselemente beaufschlagt, mit denen ein drittes Widerstandselement in Reihe geschaltet ist, an dem die Steuerspannung mit zur Polarität der Signalspannung entgegengesetzter Polarität anliegt, daß eine Schaltungseinrichtung vorgesehen ist, die auf die Polarität der an dem von dem dritten Widerstandselement abgewandten Ende der beiden in Reihe geschalteten Widerstandselemente herrschenden resultierenden Spannung anspricht und dabei die Halbleiteranordnung so betätigt, daß sie in den leitenden Zustand übergeht, und daß eine weitere Schaltungseinrichtung vorgesehen ist, die auf die Polarität der an der Stelle der Verbindung zwischen den beiden in Reihe geschalteten Wxderstandselementen herrschenden Spannung anspricht, um die Halbleiteranordnung zu betätigen und dabei in den gesperrten Zustand zu überführen.,

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4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Widerstandselement ein Halbleiterelement mit im wesentlichen konstantem Spannungsabfall ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 4, gekennzeichnet durch einen ersten Ein-Impulsgenerator (29) für die Lieferung von Impulsen an die als Schaltvorrichtung vorgesehene Halbleiteranordnung, die diese Halbleiteranordnung in den leitenden Zustand überführen, durch einen zweiten Aus-Impulsgenerator (28) für die Lieferung von Impulsen an die Halbleiteranordnung, die diese Halbleiteranordnung in den gesperrten Zustand überführen, sowie durch eine Steuerschaltung für die Auslösung des ersten Ein-Impulsgenerators (29), wenn die Signalspannung den Wert der Steuerspannung unterschreitet, und für die Auslösung des zweiten Aus-Impulsgenerators, wenn die Signalspannung die Steuerspannung übersteigt.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung für die Auslösung der Impulsgeneratoren (28, 29) ein erstes, zweites und drittes Widerstandselement enthält, wobei diese Widerstandselemente miteinander in Reihe geschaltet sind, daß die Signalspannung an dem ersten und aweiten Widerstandselement anliegt, daß die Steuerspannung an dem dritten Widerstandselement mit zur Polarität der Signalspannung entgegengesetzter Polarität anliegt, und daß die Widerstandselemente im Verhältnis zueinander so abgestimmt sind, daß der erste Ein-Impulsgenerator (29) ein Auslösesignal erhält, wenn die Spannung an dem ersten und zweiten Widerstandselement unter die Spannung an dem dritten Widerstandselement abfällt, während der zweite Aus-Impulsgenerator ein Auslösesignal erhält, wenn die Spannung an dem zweiten Widerstandselement über die Spannung an dem dritten Widerstandselement hinaus ansteigt.

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7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Impulsgeneratoren (28, 29) jeweils einen ersten Kondensator enthalten, der über eine Speisespannung aufgeladen wird, ferner ein spannungsabhängiges Halbleiterelement, eine Schalteinrichtung zur überlagerten Beaufschlagung des HaIbleitereleraentes mit der Spannung das ersten Kondensators sowie der Speisespannung, so daß das Halbleiterelement leitend wird, einen zweiten Kondensator, der sich über das Halbleiterelement entlädt, so daß ein Ausgangsimpuls abgegeben wird, sowie eine während des Auftretens eines Ausgangsimpulses wirksam werdende Schaltverbindung zur vorübergehenden Abtrennung der Kondensatoren

fe von der Speisespannung und zur anschließenden Wiederverbindung der Kondensatoren mit der diese dann aufladenden Speisespannung.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine Schaltung für die elektrische Widerstandsbremsung der Motoren, bei der wenigstens ein Teil eines Bremswiderstandes durch die schaltende Halbleiteranordnung überbrückt ist und bei der der erste Ein-Impulsgenerator (29) Impulse an die schaltende Halbleiteranordnung liefert, wenn der Motorstrom kleiner als ein gewünschter erster Wert ist, um so die schaltende Halbleiteranordnung in den leitenden Zustand zu überführen, und bei der der zweite Aus-Impulsgenerator (28) Impulse an die schaltende Halbleiteranordnung liefert, wenn der Motorstrom einen gewünschten zwei-

w ten Wert übersteigt, um so die schaltende Halbleiteranordnung in den gesperrten Zustand zu überführen.

KN/gb 3

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