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Schaltung zur Pulssteuerung eines Gleichstrommotors
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Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Pulsstenerung eines Gleichstro@@otors,
insbesondere Fahr- und Bremsschaltung für ein Fahrzeug, durch einen alt dem Motoranker
in Beize geschalteten Gleichstromsteller mit einem Löschkreis aus einem Löschthyristor,
einer Diode sowie mindestens zwei Energiespeichern und einer dei Motoranker parallel
geschalteten Freilaufdiode. Eine solche Schaltung ist aus den AEG teilungen 1965,
Seite 130, Bild 1 bekannt. Dort ist die Beldwicklung des Gleichstrommotors jedoch
vom Ankerstrom durchflossen.
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Bei Elektrospeicherfahrzeugen mit Gleichstromsteller im Ankerkreis
der Gleichstromantriebsmotoren wird häufig der Feldstellbereich groß gegenüber dem
Ankerstellbereich gewählt In diesem Falle ist der Gleichstromsteller des Ankerstellbereiches
nur im Anfahrbereich in Funktion. Wenn zusätzlich zwischen Fahrzeugachse und Antriebsmotor
ein Schaltgetriebe vorgesehen ist, besteht die Möglichkeit, den Anfahrbereich mit
herabgesetzten Strom zu durchlaufen und zusätzlich im Fahrbetrieb den Gleichstromsteller
durch einen galvanischen Schalter zu überbrücken. Der Antrieb wird dann weiter im
Feldstellbereich betrieben.
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Die physikalischen Gegebenheiten eines Überbrlickungsschalters schränken
jedoch die Anwendbarkeit einer solchen Schaltung ein.
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Um den überbrückungsschalter möglichst einfach ausführen zu können,
soll zweckmäßig ein Schaltbetrieb ohne oder mit einem zu vernachlässigbaren Lichtbogen
gemacht werden. Wird in der einfachsten Weise der leitende Thyristor von einem Schaltkontakt
überbrückt, kann es vorkommen, daß der Spannungsabfall des Thyristors (1 - 2 V)
nicht ausreicht, korrodierte oder passivierte Kontakte zum Leiten zu bringen. Die
Folge davon ist, daß der Kontakt zwar mechanisch geschlossen ist, aber den Strom
des Hauptthyristors nicht übernimmt. Der Thyristor wird somit überlastet und zerstört.
Dieser Mangel läßt sich zwar durch die Verwendung sehr aufwendiger Gold- oder Platinkontakte
oder durch Vakuumschaltgeräte vermeiden, jedoch sind diese sehr teuer.
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Die Verwendung eines einem Thyristor parallel liegenden galvanischen
Schalters ist zum Schalten von Wechselstromkreisen bereits bekannt (BBC-Nachrichten
1970, Seiten 80 bis 85, Aufsatz von Mappes "Thyristorlastschalter für ein Hochspannungsschaltwerkn).
Dort erfolgt aber im Jeden Nulldurchgang eine Unterbrechung des Stromes. Die bei
Vorhandensein eines separaten Löschkreises für den Thyristor auftretenden Probleme
sind dort also nicht vorhanden.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Gleichstromstellerschaltung
zu schaffen, bei der der Hauptthyristor durch einen normalen Schalter überbrückbar
ist, wobei durch eine besondere Schaltungsmaßnahme der tfberbrückungskontakt zur
Stromübernahme gezwungen wird.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß der Löschkreis
einen Strompfad mit einer Reihenschaltung einer Diode in Durchlaßrichtung, einer
Drossel und einem Kondensator enthält, welche Reihenschaltung dem Hauptthyristor
parallel geschaltet ist, daß zwischen der Verbindungsleitung von Diode und Drossel
und der Kathode des Haupt-thyristrrs ein weiterer Thyristor in Durchlaßrichtung
geschaltet ist, daß weiterhin parallel zum Hauptthyristor ein galvanischer Schalter
geschaltet ist, und daß die Feldwicklung des Gleichstrommotors über ein Stellglied
aus der gleichen Spannungsquelle wie der Anker gespeist wird. Der obige Gleichstromsteller
besitzt eine stetige Kommutierung. Die erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht den
Hauptthyristor des Gleichstromstellers kleiner zu dimensionieren, da er nur beim
Anfahren stromdurchflossen ist. Dabei ist sichergestellt, daß bei einem korrodierten
oder passivierten Schaltkontakt des Schalters eine sichere Kommutierung vom Haupttyhristor
des Gleichstromstellers auf den Schalter erfolgt Diese Kommutierung ist bei einem
Gleichstromsteller üblicher Art mit momentanter Kommutierung nicht möglich, da sich
bei einer solchen Löschschaltung der Kondensator bei Zündung des Löschthyristors
über den Schaltkontakt kurzschlußartig entladen würde. In diesem Falle wäre eine
Löschung des wieder leitenden Thyristors nach dem Öffnen des Kontaktes nicht mehr
möglich, da der Energiespeicher keine Energie mehr zum Löschen besitzt.
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Die Vorgänge,die sich beim Kommutieren von Hauptthyristor auf den
SchalterY'abspielen, werden in der Beschreibung detailliert beschrieben.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß einerseits
die Verbindungsleitung zwischen Drossel und Eondensator und andererseits an die
Spannungsquelle ein hochohmiger Widerstand angeschlossen ist. Über diesen Widerstand
fließt ein Nachladestrom zum Kondensator, welcher die beim Umschwingvorgang auftretenden
Verluste ausgleicht.
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In zweckmäßiger Weise sind die Anoden des Thyristors des Gleichstromstellers,
die Freilaufdiode und die zusätzliche Diode so zusammengeschaltet, daß sie gleiches
Potential aufweisen. Die Potentialgleichheit ermöglicht eine gemeinsame Montage
auf einem Kühlkörper.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß
der Schalter mit einem Hilfsschalter mechanisch gekoppelt ist, daß der eine Anschluß
des Hilfsschalters mit dem Gate des Thyristors des Gleichstromstellers und der andere
Anschluß über einen hochohmigen Widerstand mit dem Gate des gleichen Thyristors
verbunden ist. Dadurch wird bei geschlossenem Schalter ein Strom in das Gate des
Thyristors eingeprägt.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der ErSindung
ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen. Es zeigen: Die Fig. 1 eine Schaltung nach der Erfindung und
die Fig. 2 eine Schaltung nach der Erfindung mit Umschaltung für Fahren und Bremsen.
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In der Figur 1 ist die gesamte Schaltung des Ankerkreises mit Gle
ichstromsteller und Uberbrückungs schalter dargestellt. Der eine Pol der Spannungsquelle
1 ist über die Leitung L2, Knoten: punkt E2, über den Anker 5, den Knotenpunkt K3
mit dem Eingang des Gleichstromstellers verbunden, dessen Ausgang über den Knotenpunkt
E4, die Leitung L4 mit dem anderen Pol der Spannungsquelle verbunden ist. Der Gleichstromsteller
besteht aus dem Hauptthyristor 6, dem Löschthyristor 9, der Diode 8, der Drossel
10 und dem Kondensator 11. Dabei verläuft zwischen
den Knotenpunkten
K3 und K4 ein Strompfad von der Diode 8 in Durchlaßrichtung über Knotenpunkt E5,
Drossel 10, Knotenpunkt X6 und Kondensator 11 zum Knotenpunkt K4, also parallel
zum Hauptthyristor 6. Zwischen Knotenpunkt K5 und Knotenpunkt K4 ist der Löschthyristor
9 in Durchlaßrichtung angeschaltet.
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Zwischen den Knotenpunkten K2 und E3 ist die Freilaufdiode 7 parallel
zum Anker 5 des Motors eingeschaltet. Weiter ist mit 13 ein hochohmiger Nachladewiderstand
bezeichnet, welcher zwischen den Knotenpunkt K2 und den Knotenpunkt K6 geschaltet
ist.
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Die Schaltung arbeitet wie folgt: Von der Spannungsquelle 1 wird ueber
den Anker 5, die Diode 8 und die Drossel 10 der Kondensator 11 auf die Spannung
der Spannungsquelle 1 aufgeladen. Wenn der Kondensator 11 aufgeladen ist, kann der
Hauptthyristor 6 gezündet werden. Von der Spannungsquelle 1 fließt nun Strom über
den Anker 5 und den Thyristor 6. Wird nun der Löschthyristor 9 gezündet, so fließt
ein sinusförmiger Strom aus dem Kondensator 11 über die Drosselspule 10 und den
Thyristor 9. Der Kondensator 11 wird entladen und in der Drossel 10 durch den Entladestrom
ein Magnetfeld aufgebaut.
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Wenn der Kondensator 11 entladen ist, so bewirkt das Magnetfeld,daß
der Strom in gleicher Richtung weiterfließt, bis der Kondensator 11 entgegengesetzt
aufgeladen ist. Die Periodendauer der Stromschwingung ist durch dieKapazität des
Kondensators 11 und der Induktivität der Drosselspule 10 gegeben.
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Nach einer Halbschwingung wird der Strom für die Stromrichtung des
Thyristors 9 negativ. Der Kondensatorstrom überlagert sich nun dem Laststrom des
Thyristors 6 und fließt über die Diode 8 zum Schwingkreis zurück. Die Summe des
Laststromes und des Schwingstromes wird im Thyristor 6 stetig kleiner, bis der Strom
zu Null geworden ist. Nun fließt der Laststrom
vom Knotenpunkt
K3 über die Diode 8, die Drossel 10 und den Kondensator 11 so lange, bis der Kondensator
11 auf die Spannung der Spannungsquelle 1 aufgeladen ist. Der Laststrom des Ankerkreises
5 kommutiert nun vom wBöschkreis 8, 10, 11 auf die Freilaufdiode 7.
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Wird bei leitendem Hauptthyristor 6 der Schalter 12 geschlossen, so
ist bei einem korrodierten oder passivierten Kontakt bei bekannten Schaltungen nicht
gewährleistet, daß dieser bei einem Spannungsabfall des Thyristors von 1 bis 2 V
den Strom des Thyristors übernimmt. Bei der Schaltung nach Figur 1 und 2, bei welcher
ein Gleichstromsteller mit stetiger Kommutierung vorgesehen ist, wird durch Zündung
des Löschthyristors der Strom vom Hauptthyristor 6 auf den Uberbrückungsschalter
12 kommutiert. Bei einem Gleichstromsteller mit momentaner Eommatierung,bei der
nur ein Kondensator in Reihe geschaltet ist, ist dies nicht möglich. Der Kondensator
würde sich bei Zündung des Löschthyristors über den Kontakt kurzschlußartig entladen.
Eine Löschung des wieder leitenden Thyristors nach dem Öffnen des Kontaktes wäre
dann nicht mehr möglich.
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Bei dem in der Schaltung nach Figur 1 dargestellten Gleichstromsteller
wird nach dem Schließen des Schalters 12 der Löschthyristor 9 wie beim Löschvorgang
gezündet. Die erste Halbwelle des sinusförmigen Stromes durch den Thyristor 9 lädt,
wie beschrieben, den Kondensator 11 nun auf die entgegengesetzte Polarität. Die
zweite und negative Halbwelle des Kondensatorstromes überlagert sich zunächst wie
bei der bekannten Löschung des Hauptthyristors 6 dem Laststrom, so daß der Strom
im Thyristor 6 zu Null wird. Der den Laststrom übersteigende Teil der Halbschwingung
fließt nun über den * mit dem Löschthyristor
Schalter 12. Wird
der Umschwingstrom kleiner als der Laststrom, so überlagert sich der Laststrom mit
dem Umschwingstrom im Schalter 12. Wenn der Kondensatorstrom zu Null geworden ist,
hat der Schalter 12 den ganzen Laststrom übernommen. Der Kondensator 11 ist wieder
auf seine ursprüngliche Polarität aufgeladen. Die bei dem Umschwingvorgang auftretenden
Verluste werden durch einen Nachladestrom über den hochohmigen Widerstand 13 ausgeglichen,
so daß der Kondensator 11 bei geschlossenem Schalter 12 immer auf die Spannung der
Spannungsquelle 1 aufgeladen ist und nach Öffnen des Schalters 12 ein Löschen des
HauptthyristDrs 6 in der beschriebenen Weise möglich ist.
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Die Anoden des Thyristors 6, der Freilaufdiode 7 und der Diode 8 sind
so zusammengeschaltet, daß sie gleiches Potential haben.
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Der Vberbrückungsschalter 12 ist mit einem Hilfsschalter 12a mechanisch
gekoppelt. Der Hilfsschalter schließt bei Betätigung des Schalters 12 vor diesem
und öffnet umgekehrt beim Öffnen des Schalters 12 nach diesem. Das Gate des Thyristors
6 ist mit dem Hilfsschalter 12a verbunden, der wiederum über einen hochohmigen Widerstand
16 an die Leitung L2 (Pluspol) angeschlossen ist. Auf diese Weise wird bei geschlossenem
Schalter ein Strom in das Gate des Thyristors 6 eingeprägt, so daß der Thyristor
leitend ist, wenn der Kontakt 12 geöffnet wird. Damit wird vermieden, daß sich beim
Öffnen des Kontaktes 12 ein Lichtbogen bilden kann.
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Die Zündeinrichtungen für die Thyristoren sowie das Stellglied für
die Feldwicklung 15 sind nicht dargestellt.
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Bei der in Figur 2 dargestellten Schaltung ist ein zusätzlicher Umschalter
17 für den Wechsel ier Polarität des Ankers des Gleichstrommotors als Bremsumschalter
vorgesehen. Weiter ist zwischen dem Knotenpunkt 18 dem Anschluß des Ankers 5 sowie
der Leitung L2 eine zusätzliche Diode 20 angeordnet. Der Umschalter 17 ist so zwischen
dem Anker 5 und der Leitung L2 und Knotenpunkt K3 eingeschleift, daß eine Ankerumpolung
möglich ist. In der Schaltung Fig. 2 werden in der unteren Stellung des Schalters
17 die Schaltverbindungen für den Betrieb "Fahren" und in der oberen Stellung für
den Betrieb "Bremsen" hergestellt. Ein Hilfskontakt 17c ist zwischen dem Hilfskontakt
12a und dem Widerstand 16 geschaltet. Er ist in der Schaltung "Fahren" geschlossen
und in der Schaltung "Bremsen" geöffnet.
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Die Wurzel des Schalters 17a ist mit der Leitung li2 und die des Schalters
17b mit dem Knotenpunk K3 verbunden.
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Bei der Schaltung "Fahren" verbinder der Umschalter 17a die Leitung
L2 mit dem Knotenpunkt 18 und der Schalter 17b den Knotenpunkt K3 mit dem Knotenpunkt
19. Die Schaltung arbeitet wie sie für Figur 1 beschrieben ist. Wenn für den Feldstellbereich
der Überbrückungsschalter 12 geschlossen ist, kann auch durch Erhöhen des Erregerstromes
bei Schaltung fahren " gebremst werden.
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Bei der Schaltung "Bremsen" ist der Schalter 17a geöffnet und der
Schalter;17b verbindet die Knotenpunkte K3 und K18. Der Überbrückungsschalter 12
ist außerdem geschlossen. Wenn die Erregung des Feldes maximal geworden ist und
der Ankerstrom zurückgeht, wird der Anker 5 vom Thyristor 6 kurzgeschlossen.
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Der Ankerstrom steigt an und bei einem vorgegebenen Wert wird der
Thyristor 9 gezündet. Der Thyristor 6 wird dadurch, wie oben beschrieben, gelöscht.
Der Strom kuumutiert vom Thyristor 6 auf den Löschzweig 8, 10, 11 bis der Kondensator
11 auf die Spannung der Batterie 1 aufgeladen ist. Der in der Induktivität des Ankerkreises
5 gespeicherte Strom fließt anschließend nach Löschung des Thyristors 6 über die
durch den Schaltkontakt 17b parallelgeschalteten Dioden 7 und 20 und Leitung L2
zur Spannung quelle zurück.