DE2546877C2 - Steueranordnung zum Gegenstrombremsen eines thyristor-gesteuerten Gleichstrom-Traktionsmotors - Google Patents

Description

einen Schalter 11 und einen Shuntwiderstand 14 verbunden. Der dargestellte Motor ist ein Reihenschlußmotor und enthält eine Feldwicklung 16, die mit dem Anker in Reihe geschaltet ist, und eine Freilaufdiode 18, die parallel zum Motor 13 geschaltet ist Die Kontaktstücke bzw. Schütze Vl, V2, R 1 und R2 sind derart angeordnet, daß sie die Feldwicklung 16 mit dem Anker 12 in Reihe schalten, um entwecicr ein Vorwärtsoder ein Rückwärtsmoment zu erzeugen. Die Schütze Vl, V2 und R 1, Λ2 werden auf entsprechende Weise durch Schützspulen 17 und 19 gesteuert, die mittels eines Richtungssteuerschalters 21 erregt werden, die Leistungsschaliung wird durch einen Thyristor 20 vervollständigt. Die Größe der durch die Batterie 10 erzeugten Spannung, die effektiv über den Klemmen des Motors 13 auftritt, ist eine Funktion der mittleren Leitfähigkeitsdauer oder des Tastverhältnisses des Thyristors 20. Durch Verändern des Tastverhältnisses kann die effektive Spannung über den Motorklemmen von null bis praktisch 100% der verfügbaren Batteriespannung verändert werden. Immer wenn der Thyristor 20 in seinen durchgeschalteten Zustand gesteuert wird, fließt ein Stromimpuls von der Batterie 10 durch den Motor 13 und den Thyristor 20. Bei einer Kommutierung des Thyristors 20 fließt aufgrund der induktiven Wirkung des Motors weiterhin Strom durch den Motor, weil die Freilaufdiode 18 vorhanden ist. Der Stromfluß durch die geschlossene Schleife, die durch den Anker 12 und die Feldwirkung 16 des Motors 13 und die Diode 18 gebildet wird, steht somit mit der Größe des Stromflusses durch so die gesamte Leistungsschaltung in Zusammenhang, aber sie ist diesem Stromfluß nicht ähnlich. Eine Bremsdiode 23, die dem Anker 12 parallel geschaltet ist, bildet einen Nebenschlußpfad für den Ankerstrom während des Gegenstrombremsens. J5

Um den Thyristor 20 zu den richtigen Intervallen zu betätigen, ist eine Steuerung 22 vorgesehen. Zur leichteren Darstellung ist der Thyristor 20 mit zwei Steuerleitungen dargestellt, von denen die eine den Thyristor erregt bzw. speist und die andere den «o Thyristor kommutiert. In der Praxis ist üblicherweise eine getrennte Kommutierungsschaltung für den Thyristor vorgesehen und kann irgendeinen geeigneten Aufbau besitzen. Eine mit Erfolg verwendete Kommutierungsschaltung ist in der US-PS 37 77 237 beschrieben. Üblicherweise enthält eine derartige Schaltung einen Kondensator, der in einer ersten Richtung aufgeladen wird, um die Kommutierung des Thyristors vorzubereiten. Die Ladung auf dem Kondensator wird dann umgekehrt, und somit die gesammelte Umkehrspannung wird an die Klemmen des Thyristors 20 gelegt, um diesen Thyristor dadurch in Sperrichtung vorzuspannen. Dadurch hört der Stromfluß durch den Thyristor 20 auf und es wird eine Löschung oder Kommutierung des Thyristors herbeigeführt. ^

Eine Drehzahlsteuerung 24, die hier als ein Potentiometer gezeigt ist, sorgt für eine einstellbare Spannung, die letztlich dazu verwendet wird, die Steuerung 22 zu steuern. Zwischen der Drehzahlsteuerung 24 und der Steuerung 22 ist eine gesteuerte Beschleunigungsschaltung 26 angeordnet, die schematisch als eine Summierstelle 27 und ein Filterkondensator 28 dargestellt ist. Gesteuerte Beschleunigungsschaltungen sind häufig in elektrischen Steueranordnungen vorgesehen, um die Änderungsgeschwindigkei' einer an eine Steuerschaltung angelegten Steuerspannung zu begrenzen, um steile bzw. abrupte Änderungen in der Leitfähigkeit des Thvristors 20 zu verhindern.

Zusätzlich zu dem Drehzahl-Steuersignal von der Drehzahlsteuerung 24 wird ein zweites Strombegrenzungssignal von einer Strombegrenzungsschaltung 30 geliefert, die hier schematisch als ein Paar Vergleichseinrichtung 32 und 34 dargestellt ist, die jeweils eine erste Eingangsklemme aufweisen, die zum Empfang eines Signals angeschlossen ist, welches die Amplitude des im Anker 12 fließenden Stromes darstellt. Das den Ankerstrom darstellende Signal wird von einem Differenzverstärker 36 geliefert, dessen zwei Eingangsklemmen auf entsprechende Weise mit entgegengesetzten Enden des Stromshunts 14 verbunden sind. Eine Ausgangsklemme des Verstärkers 36 ist durch einen Widerstand 38 und einen Inverter 40 mit der ersten Eingangsklemme der Vergleichseinrichtung 32 und durch einen Widerstand 42 und einen inverter 44 mit der ersten Eingangsklemme der Vergleichseinrichtung 34 verbunden. Eine zweite Eingangsklemme der Vergleichseinrichtung 32 ist so angeschlossen, daß sie eine Referenzspannung von einer nicht dargestellten Referenzspannungsquelle empfängt. Eine zweite Eingangsklemme der Vergleichseinrichtung 34 empfängt eine Referenzspannung von einer Spannungsquelle, die als ein Spannungsteiler dargestellt ist, der der Batterie 10 parallel geschaltet ist. Obwohl der Spannungsteiler mit zwei Widerständen 46 und 48 dargestellt ist, kann es selbstverständlich in der Praxis wünschenswert sein, die Referenzspannung von einer stabileren Spannungsquelle an die Vergleichseinrichtung 34 zu liefern. Die Strombegrenzungsschaltung 30 ist zwar mit zwei Vergleichseinrichtungen dargestellt, es könnte jedoch auch eine einzelne Vergleichseinrichtung mit geeigneten Steuerschaltungen verwendet werden, um die entsprechenden Referenzspannungen zu liefern, oder wenn nur ein einziger Referenzspannungspegel verwendet werden soll.

Ein Schalter 50 ist so angeordnet, daß er die eine Klemme des Widerstandes 46 mit der positiven Seite der Batterie 10 verbindet, wenn eine Referenzspannung an die Vergleichseinrichtung 34 geliefert werden soll. Der Schalter 50 kann irgendein geeigneter bekannter Schalter sein, der auf ein Eingangssignal anspricht, um einen Signalpfad zu bilden, wie beispielsweise ein Zungen- oder Reed-Relais oder ein Transistorschalter. Ein dem Widerstand 48 parallelgeschalteter Kondensator 52 bildet eine Integrierschaltung, so daß die an die zweite Eingangsklemme der Vergleichseinrichtung 34 angelegte Spannung als eine Sägezahnfunktion erscheint und nicht als eine Stufenfunktion. Alternativ könnte die stufenförmige Eingangsspannung von dem Schalter 50 einem Halbleiterintegrator zugeführt werden, wie beispielsweise einem Operationsverstärker mit Kondensator-Rückkopplung, wenn eine mehr lineare Sägezahnfunktion als eine Referenzspannung für die Vergleichseinrichtung 34 gebildet werden soll.

Die Bestimmung, ob die Vergleichseinrichtung 32 oder die Vergleichseinrichtung 34 ein Gegenstrombrems-Begrenzungssignal an die Beschleunigungssteuerschaltung 26 liefert, wird durch eine Bremslugikschaltung 54 gesteuert. Diese Bremslogikschaltung 54 überwacht den Status der SchütTspulen 17 und 19 und auch die Höhe der Spannung an der Summierstelle 27 und gibt ein Gegenstrombrems-Begrenzungssignal ab, wenn sie feststellt, daß der Motor 13 im Gegenstrombrerpsbetrieb ist. Hierfür kann irgendeine geeignete Bremslogikschaltung verwendet werden, die ermitteln kann, wann der Motor 13 im Gegenstrombremsbetrieb ist, und ein entsprechendes Signal abgeben kann.

Um zu steuern, ob die Vergleichseinrichtung 32 oder die Vergleichseinrichtung 34 verwendet werden soll, um eine Strombegrenzung zu setzen, wird das Ausgangssignal von der Bremslogikschaltung 54 über einen Inverter 56 an die Kathode einer Diode 58 und weiterhin an die Kathode einer Diode 60 angelegt. Für das dargestellte Ausführungsbeispisl wird die Gegenstrombremsung des Motors 13 durch ein Signal auf einem hohen Pegel aus der Bremslogikschaltung 54 angegeben, und dieses Signal spannt die Diode 60 in ι ο Sperrichtung vor und gestattet, daß das Stromreferenzsignal vom Verstärker 36 über den Widerstand 42 und den Inverter 44 als ein Eingangssignal an die Vergleichseinrichtung 34 angelegt wird. Zur gleichen Zeit wird das auf einem hohen Pegel liegende Signal durch den Inverter 56 invertiert und zieht die Kathode der Diode 58 auf einen niedrigen Wert, der durch den Inverter 40 invertiert und als ein Signal auf einem hohen Pegel an die Vergleichseinrichtung 32 angelegt wird, wodurch deren Ausgangsgröße auf einen hohen Pegel gedrückt wird. Der genaue Aufbau und die Anordnung der Vergleichseinrichtungen 32 und 34 ist so, daß das Ausgangssignal von der Strombegrenzungsschaltung 30 auf diejenige Vergleichseinrichtung anspricht, die die Ausgangsspannung mit dem niedrigsten Pegel erzeugt. Dieses Stromreferenzsignal wird über die Diode 62 und den Widerstand 64 der Summierstelle 27 zugeführt und steuert somit den Pegel, auf den die Summierstelle 27 aufgeladen werden kann, um dadurch das Tastverhältnis des Thyristors 20 zu steuern.

Wenn im Betrieb das Schütz 17 erregt und der Motor in Vorwärtsrichtung umläuft, dann fließt Strom von der Batterie von links nach rechts, durch den Anker 12 und die Feldwicklung 16 und bildet dadurch eine Ankerspannung, die an der oberen Bürste des Ankers positiv ist. Während derjenigen Periode, in der der Thyristor 20 geöffnet ist, liefert die in der Motorinduktivität gespeicherte Energie die erforderliche Spannung, um Strom durch den Anker 12, die Feldwicklung 16 und von der Anode zur Kathode der Diode 18 fließen zu lassen, wodurch eine Kontinuität des Motorstroms während der Impulspausenperiode aufrechterhalten wird. Wenn der Schalter 21 so angeordnet wird, daß die Schützspule 17 abgeschaltet und die Schützspule 19 erregt wird, während der Motor weiterhin in Vorwärtsrichtung umläuft, dann ist die obere Bürste nicht mehr positiv, sondern die untere Bürste wird positiv gemacht durch die erzeugte Gegen-EMK, und diese Polarität der Spannung wird durch die Diode 23 kurzgeschlossen, so daß, bis der Motor zum Stillstand gekommen ist oder die Feldverbindungen umgekehrt sind, die erzeugte Gegen-F.MK durch Hie Leistungsdiode 23 kurzgeschlossen ist. Deshalb zirkuliert ein Strom von der unteren Bürste des Ankers nach oben durch die Diode 23 und zurück in die obere Bürste des Ankers. Das Produkt dieses Stroms und welcher Feldfluß in der Maschine auch immer erforderlich ist, um die Gegen-EMK zu erzeugen, erzeugt die Bremswirkung. Während die Diode 23 Strom leitet, ist die untere Bürste des Ankers im wesentlichen auf der positiven Batteriespannung, da der Spannungsabfall über der Diode 23 in Durchlaßrichtung sehr klein ist. Deshalb ist der Thyristor 20 in der Lage, die Feldwicklung 16 direkt über die Batterie zu schalten oder wieder zu trennen, so daß der Motor als ein im Nebenschluß erregter Generator betätigt wird, wobei die entwickelte Spannung einen Strom erzeugt, der durch den Anker selbst und die Leistungsdiode 23 zirkuliert und tatsächlich eine Form der Gegenstrombremsung ist, wobei der Widerstand im Motoranker als ein Bremswiderstand wirkt. Diese Form der Bremsung, die Gegenstrombremsung genannt wird, ist bei batteriegetriebenen Fahrzeugen üblich.

Wenn durch die Bremslogikschaltung 54 eine Gegenstrombremsung gefühlt wird, wird ein Ausgangssignal erzeugt, das den Schalter 50 schließt, wodurch ein Referenzspannungssignal in Form einer Sägezahnfunktion an einen zweiten Eingangsanschluß der Vergleichseinrichtung 34 gezeigt wird. Gleichzeitig spannt das Ausgangssignal von der Bremslogikschaltung 54 die Diode 60 in Sperrichtung und die Diode 58 in Durchlaßrichtung vor, so daß das Strombegrenzungssignal von der Vergleichseinrichtung 32 auf die Vergleichseinrichtung 34 umgeschaltet wird. Da beim ersten Anlegen der Sägezahn-Referenzspannung an die Vergleichseinrichtung 34 das, Referenzsignal auf einem sehr kleinen Wert ist, ist das Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung 34, das der Summierstelle 27 zugeführt wird, auf einem sehr niedrigen Pegel und bewirkt, daß der prozentuale Anteil der Durchschaltzeit des Thyristors 20 sehr klein ist. Wenn das ansteigende Spannungsreferenzsignal langsam zunimmt, nimmt der prozentuale Anteil der Einschaltzeit oder das Tastverhältnis des Thyristors 20 in gleicher Weise zu, wodurch eine unterdrückte Anstiegsgeschwindigkeit des Drehmomentes gestattet ist und ein viel glatterer Übergang zum vollen Bremsmoment gebildet wird, was insbesondere für den unteren Drehzahlbereich gilt. Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung sorgt die Größe der Zeitkonstante, die in der Sägezahn-Referenzspannung verwendet wird, für eine Anstiegsgeschwindigkeit bis zum Endwert von etwa einer halben Sekunde. Die normale Stoppzeit für einen Motor von voller Drehzahl bis Stillstand beträgt etwa 3 bis 5 Sekunden, so daß das Intervall von einer halben Sekunde keine so große Verzögerung schafft, daß der Strom in signifikanter Weise erhöht werden muß, um den erforderlichen Stoppentfernungen zu genügen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Steueranordnung zum Gegenstrombremsen eines thyristorgesteuerten Gleichstrom-Traktionsmotors mit einer Einrichtung zur Erfassung des Ankerstromistwertes, der über eine Vergieichseinrichtung einer Strombegrenzungsschaltung der Thyristor-Steuerung zugeführt ist, und mit einer Einrichtung zur Erfassung des Bremsbetriebs, die beim Bremsbetrieb eine Verminderung des Strombegrenzsollwertes veranlaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erfassung des Bremsbetriebes als Bremslogikschaltung (54) ausgebildet ist, die bei einer insbesondere bei kleinen Motordrehzahlen durchgeführten abrupten Feldumkehr einerseits einen Schalter (50) betätigt, der einen vorgegebenen Grenzstromsollwert über eine Integrationsschaltung (48,52) vom Spannungswert Null ausgehend einer in der Strombegrenzungsschaltung (30) enthaltenen zweiten Vergleichseinrichtung (34) zuführt, und andererseits der Strombegrenzungsschaltung (30) ein Spannungssignal vorgibt, mit dessen Hilfe die Strombegrenzungsschaltung die jeweils kleinere Ausgangsspannung der beiden Vergleichseinrichtungen (32, 34) der Thyristorsteuerung (22) derart überlagert (bei 27), daß der Ankerstrom auf einen kleineren Wert bei der normalen kontinuierlichen Gegenstrombegrenzung begrenzt ist.

   30

   Die Erfindung bezieht sich auf eine Steueranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Eine derartige Steueranordnung ist in der US-PS 38 55 512 beschrieben.

   Bei mit Gleichstrom angetriebenen Fahrzeugen wird üblicherweise der Antriebsmotor verwendet, um das Fahrzeug durch Richtungsumkehr des Motormomentes zu bremsen. Ein derartiges Bremsen ist als Gegenstrombremsen bekannt. Elektrische Industriefehrzeuge sind gegenwärtig so aufgebaut, daß wenn sie mit voller Drehzahl fahren, ein Richtungswähler betätigt werden kann, um eine entgegengesetzte Richtung zu wählen, ohne daß der Fahrsteller bzw. das Beschleunigungspe- <·5 dal losgelassen wird. Bei derartigen Fahrzeugen übersteuert eine elektrische Regelschaltung den Befehl des Beschleunigungspedals und sorgt für ein im wesentlichen konstantes Bremsmoment, bis die Motordrehzahl bis nahe dem Stillstand abgefallen ist.

   Bekannte Regelanordnungen regeln das Bremsmoment dadurch, daß ein konstanter Feldfluß oder ein konstanter Ankerstrom aufrechterhalten wird. Beide Methoden haben bekannte Nachteile, wobei ein typisches Beispiel ein Effekt ist, der »unrunder Lauf« genannt wird. Dieser unrunde Lauf ist als ein oder mehrere Stöße oder Rucke des Fahrzeugs bemerkbar, die normalerweise gegen Ende des Bremsintervalls als eine Folge von Änderungen im Bremsmoment auftreten. Es w.urde gefunden, daß dieser unrunde Lauf besonders betont ist, wenn das Fahrzeug bei einer niedrigen anstatt bei einer hohen Geschwindigkeit bzw. Drehzahl in einen Bremsbetrieb umgeschaltet wird. Es wurde weiterhin gefunden, daß dieser unrunde Lauf bei solchen Fahrzeugen noch betonter ist, die Elektromoto- ^b5 ren verwenden, welche eine größere Gegen-EMK. pro Ampere Feldstrom erzeugen. Bekannte Versuche, diesen unrunden Lauf durch Auswahl von Motoren zu vermindern, die eine kleine Gegen-EMK. liefern, sind unbrauchbar und ohne Wirkung gewesen. Andere Versuche, den unrunden Lauf dadurch zu beseitigen, daß für eine geregelte Beschleunigung gesorgt wird, haben sich als unpraktisch erwiesen, da. überhöhte Ansprechzeiten einen tragen Betrieb des Fahrzeuges erzeugen.

   L»ie bekannten Versuche, den unrunden Lauf zu beseitigen, sind vorwiegend deshalb ohne Erfolg geblieben, weil nicht die wahre Ursache des Problems erkannt worden ist Es wurde nun gefunden, daß der unrunde Lauf eine Instabilität oder Schwingung in der Steueranordnung ist, die direkt mit dem erhöhten Drehmoment pro Ampere des Feldstromes im Zusammenhang steht, wenn die Motorendrehzahl abfällt. Beispielsweise ist bei einer sehr hohen Drehzahl ein sehr kleiner Feldfluß erforderlich, um den erforderlichen Ankerstrom zu erzeugen, und da das Drehmoment dem Produkt von Ankerstrom und Feldfluß proportional ist, ist das resultierende Drehmoment klein. Wenn die Drehzahl abnimmt, ist ein zunehmender Feldfluß erforderlich, um den gewünschten Ankerstrom aufrechtzuerhalten; deshalb steigt das Drehmoment pro Ampere Ankerstrom an und intensiviert die Drehmomentänderungen bei fallender Drehzahl.

   Die Drehmomentänderungen resultieren aus dem unteidämpften Regelsystem, so daß ein Umschalten in den Strombegrenzungsbetrieb eine anfängliche Überschwingung erzeugt und bei kleinen Drehzahlen, wo das Drehmoment pro Ampere hoch ist, können diese Schwingungen als ein unrunder Lauf gefühlt werden. Wenn der Ankerstrom plötzlich stufenförmig geändert wird, ist diese Schwingung in bezug auf das Motormoment größer und betonter bei kleinen Drehzahlen als in Bereichen höherer Drehzahlen. Die Gesamtleistungsfähigkeit einer Steueranordnung mit den Charakteristiken, die diese Überschwingung erzeugen, ist an sich wünschenswert, um einen trägen Fahrzeugbetrieb zu verhindern. Infolgedessen würde die beste Lösung darin bestehen, die Wirkungen der Überschwingungen zu vermindern, anstatt die Regelung zu verändern.

   Es is* Aufgabe der Erfindung eine Steueranordnung zu schaffen, die ohne Beeinträchtigung der Empfindlichkeit der Drehzahlregelung bei einer abrupten Feldumkehr zum Gegenstrombremsen von Gleichstrom-Traktionsmotoren keine ruck- bzw. stoßhaften Drehzahländerungen auftreten läßt.

   Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst.

   Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine verbesserte Steueranordnung zum Gegenstrombremsen erhalten wird, die einen gesteuerten Bremsgrad liefert und einen unrunden Lauf eliminiert, der durch plötzlich angelegte Bremsstrom-Begrenzungssignale bewirkt wird, die ein Überschwingen des Ankerstrom erzeugen. Dadurch wird beispielsweise bei der Verwendung in Gabelstaplern die Sicherheit von Personen und Sachgegenständen erhöht.

   Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

   Die Figur zeigt eine Grundschaltung für eine Steueranordnung für ein batteriegetriebenes Elektrofahrzeug.

   Die Figur zeigt in schematischer Form gewisse Elemente einer typischen Pulsregelschaltung, die für eine Verwendung in Verbindung mit einem Gleichstrommotor geeignet ist. Eine Gleichspannungsquelle, die hier alf Batterie 10 gezeigt ist, ist mit der einen Seite eines Ankers 12 eines Gleichstrommotors 13 durch