DE2652540A1

DE2652540A1 - Impulssteuereinrichtung

Info

Publication number: DE2652540A1
Application number: DE19762652540
Authority: DE
Inventors: David Gurwicz; Albert Everett Sloan
Original assignee: Sevcon Ltd
Current assignee: Sevcon Ltd
Priority date: 1975-11-18
Filing date: 1976-11-18
Publication date: 1977-05-26
Also published as: US4104571A; FR2332645A1; GB1558591A

Description

DR. BERG DIPI..-ING. 3TA?F DIPL.-ING. SCHWABE DR. DR. SANDMAIR

8 MÜNCHEN 86, POSTFACH 86 0245

Anwaltsakte; 27 593 -\ g. MOV. 1976

Sevcon Limited
Gateshead / England

Impulssteuereinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Impulssteuereinrichtung zum Steuern der Stromversorgung an umkehrbaren Gleichstrom-Reihenschlußmotoren, bei welchen eine Halbleiter-Schalteinrichtung in Reihe zwischen den Motor und eine Gleichstromversorgung geschaltet ist und welche jeweils betätigbar sind, um den Motor mit der Gleichstromversorgung zu verbinden und von dieser zu trennen, wobei die jeweiligen Längen der Perioden, während welcher der Motor mit der Stromversorgung verbunden ist, und der Perioden, während welcher der Motor von der Stromversorgung getrennt ist, veränderbar sind, um dadurch die an den Motor angelegte, mittlere oder Durchschnittsspannung zu ändern.
VII/XX/Ktz - 2 ~

* (089) 98 82 72 8 München 80, Mauerkircherstraße 45 Banken: Bayerische Vereinsbank München 453100

987043 Telegramme: BERGSTAPFPATENT München Hypo-Bank München 3890002624

983310 TELEX: 0524560 BERG d Postscheck München 65343-808

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Bei einer derartigen Steuereinrichtung muß ein einseitig gerichteter Strompfad parallel zu dem Motoranker und den Feldwicklungen vorgesehen sein, über welchen der Motorstrom dann während der Zwischenimpulsperioden bzw. der Perioden zwischen den Impulsen₉ d.h. während der Perioden umlaufen kann₉ während welcher die Halbleiterschaltanordnung den Motor von der Stromversorgung trennt. Ein derartiger Strompfad ist bisher im allgemeinen mittels einer zu dem Motor parallel geschalteten Diode (einer sogenannten Freewheel-Diode) geschaffen worden=,

Wenn der Motor abgebremst bzw. abgeschaltet wird, das heißt wenn sich der Anker in einer Richtung dreht_s die der entgegengesetzt ist, die dem Zustand der Umkehrkontaktgeber bzw. -schütze entspricht, so daß die von dem Anker erzeugte EMK infolge der Gleichstromversorgung in derselben Richtung wie die angelegte EMK fließt, dann hat die im Anker erzeugte EMK eine Stromzunahme während der Perioden zwischen den Impulsen in der Diodenschleife, welche den Anker, die Feldwicklungen und die Diode aufweist, zur Folge. Die Feldstromzunahme hat wiederum eine Zunahme der im Anker erzeugten EMK und eine anschließende, weitere Stromzunahme in der Diodenschleife zur Folge. Der Strom in dieser Schleife nimmt infolgedessen schnell zu, wodurch ein sehr hohes Bremsdrehmoment erzeugt wird. Um dies zu verhindern, ist bisher bei Impulssteuereinrichtungen eine parallel zu dem Motoranker geschaltete Anschaltdiode vorgesehen worden, die während des At>schaltens bzw. Abbremsens " leitend wird und dadurch die im Anker erzeugte EMK begrenzt.

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Gemäß der Erfindung ist eine Impulssteuereinrichtung zum Steuern der Stromversorgung an einem umkehrbaren Gleichstrom-Reihenschlußmotor geschaffen, die folgende Einrichtungen aufweist: eine Halbleiter-Schalteinrichtung, die in Reihe mit dem Gleichstrommotor und einer Gleichstromversorgung geschaltet ist und wiederholt den Motor mit der Gleichstromversorgung verbinden und ihn von dieser trennen kann; einen in einer Richtung wirkenden Strompfad, der parallel zu dem Motoranker und den !Feldwicklungen geschaltet ist und eine Impedanz aufweist, so daß, wenn der Motor abgebremst bzw. abgeschaltet wird, ein Strom in der Schleife aus dem Anker, den Feldwicklungen und dem Strompfad während der Perioden zwischen den Impulsen abfällt, wenn der Motor durch die Halbleiter-Schalteinrichtung von der Gleichstromversorgung getrennt ist; eine Schalteinrichtung, die vorgesehen ist, um bei ihrer Betätigung die Impedanz in dem einseitig gerichteten Strompfad kurzzuschließen; eine Betätigungseinrichtung zum Betätigen der Schalteinrichtung, um die Impedanz während der Perioden zwischen den Impulsen zumindest dann kurzzuschließen, wenn der Motor nicht abgebremst' bzw.abgeschaltet ist; und Einrichtungen zum Steuern des (Tast- bzw. Impulsbreitenverhältnis der Halberleiter-Schalteinrichtung während der, Gegenstrombremsung,

Während der Gegenstrombremsung wird die Schalteinrichtung nicht betätigt, um die Impedanz kurzzuschließen, so daß in den Perioden zwischen den Impulsen ein Motorstrom über den in einer Richtung wirkenden Strompfad mit der Impedanz fließt. Die Impedanz ist so ausgelegt, daß während der Periode zwischen den Impulsen die im Anker erzeugte EMK nicht für eine Stromzunahme in der

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Schleife ausreicht, die den Motor und den einseitig gerichteten Strompfad aufweist, so daß der Strom während einer Zwischenimpulsperiode abfällt und sich nicht schnell aufbaut, wie oben beschrieben ist. Eine Diode zur Unterbindung des IbbreinsStromstoßes ist daher überflüssig und nicht mehr erforderlich. Während des normalen Betriebs des Motors, wenn der Motorstrom viel größer werden kann als während des - Abbremsbetriebs, wird der Thyristor gezündet, und damit leitend, um die Impedanz kurzzuschließen, so daß ein Pfad mit niedriger Impedanz für den Motorstrom während der Zwischenimpulsperioden vorgesehen ist. Dementsprechend ist die Impedanz durch einen Widerstand in dem einseitig gerichteten Strompfad geschaffen.

Die Schalteinrichtung zum Kurzschließen der Impedanz ist vorzugsweise ein Thyristor, welcher unmittelbar parallel zu der Impedanz oder parallel zu dem Motoranker und den !Feldwicklungen zusammen mit dem ganzen in einer Eichtung wirkenden Strompfad geschaltet sein kann.

Nachfolgend wird nunmehr die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. T eine Schaltung einer Impulssteuereinrichtung gemäß der Erfindung in einer Schaltung mit einer Batterie und einem Gleichstrom-Reihenschlußmotor;

Fig. 2 ein Schaltbild eines Teils der Steuerschaltung der Im-

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pulssteuereinrichtung der Fig. 1 ;

Fig. 5 bis 5 Wellenformen, in welchen die Änderung des Motorstroms über der Zeit in drei Betriebszuständen des Motors und der Impulssteuereinrichtung der Fig. 1 dargestellt ist;

Fig. 6 eine abgewandelte Ausführungsform der Impulssteuereinrichtung gemäß der Erfindung; und

Fig. 7 eine weitere abgewandelte Form der Impulssteuereinrichtung gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Impulssteuereinrichtung dazu verwendet, um die Stromversorgung von einer Batterie 2 zu einem Gleichstromreihenschlußmotor mit einem Anker 4- und Feldwicklungen 6 zu steuern. Die Feldwicklungen 6 sind mit Kontaktgebern bzw. -schützen 8 für die "Vorwärts"- und die "Umkehr"-Richtung vorgesehen, Die Impulssteuereinrichtung weist einen Haupttransistor 10 und eine Kommutierungsschaltung für den Haupttransistor aus einem Kommutierungskondensator^und einem Kommutierungsthyristor 14 auf, welcher gezündet wird, um den umgekehrt geladenen Kommutierungskondensator parallel zu dem Hauptthyristor 10 zu schalten, um ihn zu kommutieren, und durch welchen der Kommutierungskondensator dann von der Batterie aus in Durchlaßrichtung geladen wird, und weist ferner einen Ladeumkehrweg für den Kommutierungskondensator auf, der aus einem weiteren Thyristor

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16 und einer Induktionsspule besteht, die parallel zu dem Konden-

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sator 12 geschaltet sind. Eine Steuerschaltung 19 ist zum Steuern des Zündens der Thyristoren 10, 14- und 16 vorgesehen, die einen "Anschalf'-Oszillator der Zündsignale an den Haupttransistor 10. abgibt₇und einen "Abschalf-Oszillator aufweist, der Zündsignale an den Kommutierungsthyristor 14 abgibt, um den Hauptthyristor zu kommutieren bzw. umzupolen. Selbstverständlich können auch andere herkömmliche Ausführungsformen von Kommutierungsschaltungen anstelle der in !"ig. 1 dargestellten Schaltung verwendet werden.

Ein einseitig gerichteter Strompfad mit einem Widerstand 20 und einer in Reihe geschalteten Diode 22 ist parallel zu dem Motoranker 4 und den Feldwicklungen 6 geschaltet. Ein Thyristor 24 ist parallel zu dem Widerstand 20 und der Diode 22 geschaltet und mit der Anode des Hauptthyristors 10 verbunden.

Bei Einsatz der Schaltung der Fig. 1 nimmt während des normalen Motorbetriebs der Motorstrom während der "Ansehalt"-Perioden zu, d.h. wenn der Haupttransistor 10 leitend ist, da Strom von der Batterie abgegeben wird. Während der "Abschalt¹¹- oder der Zwischenimpulsperioden, d.h. wenn der Haupttransistor 10 nicht leitend ist, fließt der Motorstrom nach einer kurzen.Periode, in welcher der Kommutierungskondensator von der Batterie aus geladen wird, über den Widerstand 20 und die Diode 22 oder über den Thyristor 24, wenn dieser Thyristor gezündet und leitend ist· Während der Gegenstrombremsung nimmt der Motorstrom während der "Ansehalt"—Perioden zu, wobei die Anstiegsgeschwindigkeit bzw·

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-rate größer ist, als während des normalen Motorbetriebs, da die im Anker erzeugte EMK in Reihe mit der Batteriespannung liegt. Während der Zwischenimpulsperioden fließt der Strom über den Widerstand 20 und die Diode 22. Da die im Anker erzeugte

\EMK in einer Richtung wirkt, um Strom durch die Schaltung zu treiben, muß der Widerstandswert des Widerstands 20 hoch genug sein, um sicherzustellen, daß bei allen möglichen Motordrehzahlen der Motorstrom in den Zwischenimpulsperioden abnimmt. Der sich addierende Aufbau des Motorstroms während der Abbremsung und das anschließende sehr hohe Bremsdrehmoment sind auf diese Weise vermieden.

Der Thyristor 24 wird in den Zwischenimpulsperioden während eines normalen Motorbetriebs gezündet, um den Widerstand 20 kurzzuschließen und um einen übermäßigen Abfall des Motorstroms und einen entsprechenden Energieverlust zu verhindern· Da der Thyristor 24 während der Gegenstrombremsung.i ^- a. nicht gezündet werden muß, muß eine Schaltung vorgesehen sein, um zu fühlen_v wann der Motor abgeschaltet und abge_brejnst vdxd, Hierzu kann die Tatsache benutzt werden, daß während der AEbisemöpbase der Motor-

strom verhältnismäßig langsam abfällt und in den Zwischenimpulsperioden nicht auf null abnimmt, da die von dem Anker erzeugte EMK einen ausreichenden Strom zur Folge hat, der durch die Feldwicklungen 6, die Diode 22 und den Widerstand 20 fließt, um den Feldfluß auf einem Pegel zu halten, bei welchem sich der Motor selbstuerregt. Andererseits nimmt während des normalen Motorbetriebs der Motorstrom exponentiell während der Zwischenimpulsperioden mit einer sehr hohen Geschwindigkeit über die Diode

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und den Widerstand 20 ab, wenn der Thyristor 24- nicht gezündet ist, da die einzige Energiequelle, die den Motorstrom aufrechterhält, die Selbstinduktivität des Motors ist. Dies ist in Fig. 3 dargestellt, wo eine typische Wellenform des Motorstroms gezeigt ist, wenn sich der Motor in normalem Motorbetrieb und sich der Widerstand 20 in der Schaltung befindet, und bei einer Impulsbreite von etwa 3r. ms bei einer Gesamtfolgeperiode [d.h. einer "Anschalt"- plus "Abschalf-PeriodeJ von 10 ms, wobei der Haupttransistor an den Stellen a gezündet und an den Stellen b, kommutiert wird. In Fig. ist eine Wellenform während der Gegenstrombremsung in den entsprechenden Betriebszuständen gezeigt. Der in Fig. 4- in den Zwischenimpulsperioden gezeigte Stromabfall· beruht auf dem Verlust an induktiver, in dem Motor gespeicherter Energie und hat eine Frequenz, die von der normalen Zeitkonstanten des Motors abhängt.

Wenn die Zwischenimpulsperioden unbegrenzt verlängert würden und die Motordrehzahl konstant gehalten würde, würde der Motorstrom auf einen konstanten Wert abfallen, welcher gleich

^VG - ^VD22
^RM ^{+ R}20

ist, wobei V_Q die im Anker erzeugte EMK (die gleich dem Produkt aus der Motordrehzahl, dem Motorstrom und einer Motorkonstanten ist), Vj₃₂₂ ^der Spannungsabfall an der Diode 22, R^ der gesamte Motorwiderstand und R₂₀ der Widerstandswert des Widerstandes 20 ist.

Folglich kann bestimmt werden, ob sich der Motor in normalem Be-

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trieb befindet, indem der Motorstrom während der Zwischenimpulsperioden gemessen wird und bestimmt wird, ob er auf einen niedrigen Wert fällt. Es gibt jedoch Umstände, bei welchen die Zwischenimpulsperiode nicht lang genug sein kann, um sicherzustellen, daß der Motorstrom auf einen niedrigen Wert fällt, selbst wenn sich der Motoren Normalbetriebszustand befindet. Beispielsweise muß gegen Ende eines Gegenstrombremszyklus, wenn der Motor durch eine Gegenstrombremsung beinahe zum Stillstand gebracht worden ist, ein verhältnismäßig hohes Hast- oder Impulsbreitenverhältnis vorgesehen sein, um ein ausreichendes Bremsmoment zu erhalten*, beispielsweise kann die "Einschalt"-Zeit in einer Periode von 10 ms 4 oder 5 ms groß sein. Wenn dann eine Gegenstrombremsung aufgehört hat, und der Motor begonnen hat, in der entgegengesetzten Richtung zu beschleunigen, kann der Motorstrom in den Zwischenimpulsperioden nicht ausreichend abfallen, um anzuzeigen, daß die Gegenstrombremsung aufgehört hat und ein Signal, um den Thyristor 24 zu zünden, kann infolgedessen nicht gegeben werden, bis der mittlere Motorstrom auf einen sehr niedrigen Wert gefallen ist. Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, kann ein Abtastverfahren angewendet werden, bei welchem die "Einschalt"-Periode des Haupttransistors in Intervallen von beispielsweise 200 ms auf einen niedrigen Wert herabgesetzt wird, so daß die Länge der Zwischenimpulsperiode auf einen Wert vergrößert wird, in welchem der Motorstrom auf einen sehr niedrigen Wert abfallen kann, wenn sich der Motor in normalem Betriebszustand befindet, so daß durch eine Messung des Motorstroms am Ende der Periode bestimmt werden kann, ob sich der Motor in normalem Betriebszustand oder im Zu-

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stand einer Gegenstrombremsung befindet· Dies ist in IFig· 5 dargestellt, welche die Wirkung am Ende einer "Einschalt"-Periode zum Zeitpunkt b¹ zeigt. Die Linie ρ gibt den Pegel des Motorstroms an, bei welchem ein Signal abgegeben wird, das anzeigt, daß der Motor sich in normalem Betriebszustand befindet, wobei das Signal zum Zeitpunkt c in !"ig. 3 parallel ist.

Eine Schaltung die hierzu verwendet wird und Einrichtungen zum Begrenzen des mittleren Motorstroms während einer Gegenstrombremsung aufweist, ist in Fig. 2 dargestellt. In Fig. 2 weist die Steuereinrichtung Einrichtungen zum Messen eines Stromflusses in dem Diodenpfad auf, wobei der -Emitter eines pnp-Transistors 40 über einen Widerstand 42 mit der Verbindung der Diode 22 und des Widerstands 20 und seine Basis mit dem anderen Ende des Widerstands 20, d.h. mit dem positiven Pol der Batterie, verbunden ist. Eine Diode 44 ist zwischen die Basis und den Emitter des Transistors 40 geschaltet· Der Emitterstrom des Transistors 40 wird durch den Widefstandswert des Widerstands 42 und die an dem Widerstand 20 anliegende Spannung festgelegt, welche natürlich proportional dem Strom in dem Diodenpfad ist, so daß der Kollektorstrom des Transistors proportional diesem Strom ist. Der Kollektorstrom wird durch Messen der Spannung an einem Widerstand 46 gemessen, welcher zwischen den Kollektor des Transistors 40 und den negativen Pol der Batterie geschaltet ist. Der Kollektor des Transistors 40 ist über einen Widerstand 48 und einen Kondensator 50 mit dem negativen Pol der Batterie verbunden, so daß die Spannung an dem Widerstand 46 an dem Kondensator 50 anliegt. Die Verbindung des Widerstands 48 und des Kondensators 50 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang

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eines Operationsverstärkers 52 verbunden, der als Spannungsvergleicher wirkt.

Der invertierende Eingang des Verstärkers 52 ist mit der Verbindung von Widerständen 54- und 56 verbunden, die einen Spannungsteiler bilden, der zwischen eine stabilisierte 5V-Leitung 58 und den negativen Pol der Batterie geschaltet ist. Das Potential am Eingang des Verstärkers ist verhältnismäßig niedrig und liegt beispielsweise zwischen 1 und 1,5V so daß der Verstärker auf verhältnismäßig niedrige Pegel des Stromflusses über den Diodenpfad anspricht. Wenn der Strom in dem Diodenpfad einen vorbestimmten Pegel überschreitet, geht der Ausgang des Operationsverstärkers 52 in einen logischen Zustand 1 über, wobei dann der Ausgang etwa 10 V beträgt. Da der Kollektorstrom des Transistors 40 während jeder "Einschalt"-Periode auf null fällt, d.h. wenn der Haupttransistor 10 leitend ist, um den logischen Zustand-1 am Ausgang des Verstärkers 52 während der "Einschalt"-Perioden aufrechtzuerhalten, wird die Spannung an dem Hauptthyristor 10 umgekehrt und eine von der umgekehrten Spannung abhängige Spannung wird über eine Leitung an den nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers angelegt· Während einer Gegenstrombremsung ist somit ein konstantes Ausgangssignal mittels des Verstärkers 52 geschaffen.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 52 ist über eine Diode 62 und.einen Widerstand 64 mit dem nichtinvertiermnden Eingang eines weiteren Operationsverstärkers 66 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers 66 ist auch über einen Widerstand ?6 mit der 5V-Ieitung 68 verbunden. Der invertierende Eingang des

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Verstärkers 66 ist mit einem Kondensator 68 verbunden, welcher normalerweise über einen Widerstand 70 von einer stabilisierten 10 V-Leitung 82 aus geladen wird und mittels einer Diode ?2, die mit der 5 V-Leitung 58 verbunden ist, auf einer Spannung von etwas über 5V gehalten wird. Folglich hat ein hoher Ausgang von etwa 10 V an dem Verstärker 52 zur Folge, daß der Ausgang des Verstärkers in einen logischen Zustand 1 geht, der einen positiven Ausgang schafft, Wenn der Ausgang des Verstärkers 52 auf null fällt (was anzeigt, daß sich der Motor in normalem Betriebszustand befindet), fällt auch der Ausgang des Verstärkers 66 auf null, wodurch dann der Verstärker durch eine Rückkopplung über eine Diode 74 in diesem Zustand gesperrt wird.

Der Ausgang des Verstärkers 66 ist über Widerstände 78 und 80 mit einer stabilisierten 10 V-Leitung 82 verbunden, und die Verbindung der Widerstände 78 und 80 dsb mit der Basis eines pnp-Transistors 84 verbunden· Der Emitter des Transistors 84 ist mit der 10 V-Leitung 82 und sein Kollektor ist über Widerstände 86 und 88 mit dem negativen Pol der Batterie verbunden· Der Kollektor des Transistors 84 ist auch mit einer Treiberschaltung 90 verbunden, welche eine Zündspannung an die Steuerelektrode des Thyristors 24 anlegt, wenn ein Kollektorstrom in dem Transistor 84 fließt· Wenn somit der Ausgang des Operationsverstärkers 66 null ist, wird der Transistor 84 voll angeschaltet, und eine Zündspannung wird an die Steuerelektrode des Thyristors 24 angelegt. Wenn der Ausgang des Verstärkers 66 positiv ist, wodurch angezeigt ist, daß der Motor sich im Zustand der Gegenstrombremsung be-

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findet, wird der Transistor 84 abgeschaltet, und die Treiberschaltung 90 verhindert ein Zünden des Thyristors 24. TJm während einer Gegenstrombremsung die großen "Abtast"-Perioden zwischen den Impulsen zu schaffen, weist die Schaltung einen frei schwingenden Oszillator 92 auf, wacher vorgesehen ist, um eine Reihe von hohen positiven Ausgängen mit einer Dauer von etwa 15 ms zu schaffen, die in Intervallen von etwa 200 ms abgegeben werden. Der Ausgang des Oszillators 92 wird über eine Leitung 92 an den "Auschalt"-Oszillator abgegeben, der die Kommutierung des Hauptthyristors 10 steuert. Durch die zusätzliche, dem "Abschalt"-Oszillator zugeführte Ladung wird der Hauptthyristor sehr kurze Zeit, nachdem er gezündet worden ist, umgepolt, was eine kurze "Anschalt"-Zeit in der Größenordnung von etwa 50 bis 200yus ergibt. Während des normalen Motorbetriebs schaltet, wenn der Transistor 8^ voll angeschaltet ist, der Kollektorstrom des Transistors einen Transistor 96 an, dessen Basis mit der Verbindung der Widerstände 86 und 88 verbunden ist. Durch das Anschalten des Transistors 96 wird ein Teil des Oszillators 92 an den negativen Pol der Batterie angeklemmt bzw. angeschalten, um dessen Schwingung zu sperren und eine Interferenze mit dem "Abschalt"-Oszillator während des normalen Motorbetriebs zu verhindern.

Während des Anlassensdes Motors ist, wenn die Schaltschütze 8 für die "Vorwärts"- oder die "Umkehr"-Richtung zuerst geschlossen sind, der Motorstrom anfangs niedrig, so daß der Motor in dem normalen Motorbetrieb an den Steuerschaltungen anzuliegen scheint, selbst wenn er sich im Zustand der Gegenstrombremsung befindet, beispielsweise wenn eine Last an dem Motor den Anker in der Rich-

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rung dreht, die der entgegengesetzt ist, die dem Zustand der Richtungsschaltschütze entspricht. Infolgedessen muß ein Zünden des Thyristors 24 während der ersten wenigen Impulse der Impulssteuereinrichtung verhindert werden, damit sich der Mofcorstrom aufbauen kann. Dies wird mittels einer Diode 98 und eines Widerstands 100 bewirkt, die parallel zu dem Kondensator 68 in der Eingangsschaltung des Operationsverstärkers 66 geschaltet sind. Wenn keines der Richtungsschaltschütze geschlossen ist, entlädt sich der Kondensator 68 über die Diode 98 und den Widerstand 100, so daß das Potential an dem invertierenden Eingang des Verstärkers 66 gesenkt wird und der Ausgang des Verstärkers im logischen Zustand 1 gehalten wird, selbst wenn der Ausgang des Verstärkers 52 null ist, wobei der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers 66 durch einen Widerstand 76 auf 5 V gehalten wird. Das Zünden des SShyristors 24 wird infolgedessen verhindert, bis sich der Kondensator 68 über den Widerstand 70 auf etwas über dem 5 V-Pegel geladen hat. Das Laden des Kondensators 68 beginnt, wenn sein Entladen über die Diode 98 und den Widerstand 100 durch eine positive Spannung verhindert ist, die über eine Leitung 102 von einem Richtungswählschalter aus angelegt wird, welcher ein Schließen der Richtungsschaltschütze bewirkt. Solange die Schaltsehütze geschlossen bleiben, spannt das Signal auf der Leitung 102 die Mode 98 umgekehrt vor und verhindert ein Entladen des Kondensators 68·

Das Wegnehmen des Signals von der Leitung 102 bewirkt auch, wenn die Kichtungsschaltschütze geöffnet werden, ein Entriegeln des Verstärkers 66, wenn er vorher in dem Zustand gesperrt worden war, indem er einen Ausgang null abgibt. Wenn folglich der normale

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Motorbetriebszustand gefühlt wird, wird ein Zündsignal über den Transistor 84 an den Thyristor 24 abgegeben und aufrechterhalten, bis die Richtungsschaltschütze geöffnet sind.

TJm das Tast- bzw· Impulslängenverhältnis der Impulssteuereinrichtung, während der Gegenstrombremsung zu begrenzen, weist die Schaltung eine Einrichtung zum Begrenzen des Spitzenmotorstroms in jeder "Einschalt"-Periode des Hauptthyristors 90 während einer Gegenstrombremsung und eine Einrichtung zum Verzögern des nächsten "Einschalt"-Impulses auf, bis der Motorstrom auf einen vorbestimmten Wert abgefallen ist. Die Einrichtung zum Begrenzen des Spitzenmotorstroms weist einen Nebenschluß 104 auf, der mit einer der Leitungen zu der Batterie verbunden ist5 der Ausgang des Nebenschlusses wird durch einen Operationsverstärker 106 verstärkt und an den nichtinvertierenden Eingang eines weiteren Operationsverstärkers 108 angelegt. Der invertierende Eingang des Verstärkers 108 ist über einen Widerstand 110 mit der 5 V^-Leitung 58 verbunden, so daß der Ausgang des Verstärkers von null in den logischen Zustand 1 übergeht, wenn der Ausgang des Nebenschlusses 104 einen vorbestimmten Wert übersteigt. Der Ausgang des Verstärkers 108 wird über eine Diode 112 und einen Widerstand 113 an eine Leitung 94 angelegt, die mit dem "Abschalf'-Oszillator verbunden ist und lädt den "Abschalt"-Oszillator schnell auf, um den Kommutierungsthyristor 14 zu zünden. Der Hauptthyristor 10 wird infolgedessen umgepolt, umi die"Einschalt"-Periode zu beenden, wenn der Motorstrom auf einen vorbestimmten Wert ansteigt. Die den Spitzenstrom begrenzende Einrichtung ist während des normalen Motorbetriebs durch eine Spannung vom Kollektordes Transistors 84 ge-

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sperrt, die über eine Diode 114 an den invertierenden Eingang des Verstärkers 106 angelegt wird, welche den Ausgang des Verstärkers in einem logischen Zustand null verriegelt und verhindert, daß der Verstärker 108 Strom an den "Abschalf'-Oszillator abgibt.

Um den nächsten "Einsehalt"-Impuls zu verzögern, bis der Motorstrom auf ein vorbestimmten Wert abgefallen ist, wird die Spannung an dem Widerstand 46 in der Kollektorschaltung des Transistors 40 an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 118 angelegt. Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers 118 ist mit dem Schleifkontakt eines Poterfiometers 120 verbunden, mittels welchem die Spannung an dessen Eingang voreingestellt wird. Wenn der Kollektorstrom des Transistors 40, welcher während der Gegenstrombremsung proportional dem Motorstrom ist, einen vorbestimmten Wert überschreitet, geht der Ausgang des Verstärkers 118 von dem logischen Zustand 1 in den logischen Zustand 0 über. Der Ausgang des Verstärkers ist mit dem "Einschalf'-Oszillator in der Weise verbunden, daß der Oszillator gesperrt wird, um das Abgeben eines "Einschalf'-Impulses zu verhindern, wenn der Ausgang in dem logischen Zustand 0 ist. Wenn infolgedessen der Motorstrom in einer Zwischenimpulsperiode während einer Gegenstrombremsung den vorbestimmten Wert überschreitet, wird der nächste "Einschalt"-Impuls verzögert, bis der Strom auf diesen Wert abgefallen ist, so daß das Tastverhältnis der Steuereinrichtung herabgesetzt ist*

Selbstverständlich wird durch die Begrenzung des Spitzenstroms durch die Verzögerung der "Einschalf'-Impulse während einer Gegenstrombremsung der mittlere Motorstrom und infolgedessen

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das an dem Motor angelegte Bremsmoment gesteuert, wobei das Bremsmoment durch das Potentiometer 120 voreingestellt ist. Ein Grad für die Steuerung der Abbremsung wird der Bedienungsperson dadurch gegeben, daß das Potentiometer 120, wie dargestellt, mit dem Gleitkontakt eines weiteren Potentiometers 122 verbunden ist, das zwischen die 5 V- und 10 V-Leitungen geschaltet ist. Wenn beispielsweise der Motor der Fahrmotor eines batteriebetriebenen Fahrzeugs ist, kann der Gleitkontakt des Potentiometers 122 der Schiebekontakt des üblicherweise verwendeten Geschwindigkeitspotentiometers sein, der an das Fahr- oder Beschleunigungspedal des Fahrzeugs angekuppelt ist.

Wenn die Impulssteuereinrichtung eine Verzögerungsschaltung zum Begrenzen der Anstiegsgeschwindigkeit in dem Tastverhältnis aufweist, wie beispielsweise in der GB-PS 963 648 beschrieben ist, sollte gewährleistet sein, daß die Verzögerungsschaltung auf null zurückgestellt wird, wenn der Motor von der Gegenstrombremsung auf den normalen Motorbetrieb umschaltet, um ein plötzliches Ändern in dem mittleren Motorstrom zu verhindern, wenn der Thyristor 24 gezündet wird, um den Widerstand 20 mit Hilfe der Steuereinrichtung kurzuzuschließen, die mit einem hohen Tastverhältnis arbeitet. Um ein Signal zum Rücksetzen der Verzögerungsschaltung zu schaffen, ist der Kollektor des Transistors 84 über eine Differenzierschaltung aus einem Kondensator 124 und Widerständen 126 und 128 mit der Basis eines npn-Trar"istors 130 verbunden, dessen Emitter mit der fünf Volt-Leitung . verbunden ist und dessen Kollektor über eine Leitung 132 mit der Verzögerungsschaltung verbunden ist. Wenn infolgedessen der Transistor 84 an-

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geschaltet wird, wird augenblicklich auch der Transistor 130 angeschaltet, um ein Signal an die Verzögerungsschaltung abzugeben.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist zu ersehen, daß bei Betrieb der Schaltung der Fig. 2 die Schaltung ein Schließen der Richtungsschaltschütze fühlt, unabhängig davon, ob der Motor gegengebremst wird oder sich in normalem Betriebszustand befindet. Wenn er abgebremst wird, ist mit der Steuerschaltung 90 ein Zünden des Thyristors 24 verhindert, und der mittlere Motorstrom und daher auch das Bremsmoment sind begrenzt. Wenn der Motor in den normalen Betriebszustand übergeht, wird der Transistor 84 angeschaltet und bleibt angeschaltet, bis die Richtungsschaltschütze wieder geöffnet werden. Eine gleichbleibende Spannung wird infolgedessen an die Steuerelektrode des Thyristors 24 angelegt, welcher dann leitend wird, wenn er durch die Spannung an dem Motor während der Zwischenstromimpulse " -in Durchlaßrichtung vorgespannt ist.

Wenn ein Versuch gemacht wird, die Drehrichtung des Motors umzukehren, ohne die Richtungsschaltschütze umzuschalten, wenn sich der Motor in dem normalen Betriebszustand befindet, beispielsweise wenn ein durch den Motor angetriebenes Fahrzeug eine Steigung hinauffährt und der Fahrer das Fahrpedal nicht ausreichend durchgedrückt hält, so daß das Fahrzeug dazu neigt, die Steigung abwärts wieder zurückzufahren, wird das Zündsignal an dem Thyristor 24 aufrechterhalten. Auf diese Meise wird ein sehr ho-

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hes Bremsmoment durch den Stromfluß durch den Thyristor 24 erzeugt, wodurch verhindert ist, daß das Fahrzeug von der Anhöhe wieder nach unten zurückfährt. Auf diese Weise verhindert das Steuersystem automatisch ein "Zurückrollen" des Fahrzeugs.

In Fig. 6 ist eine Abwandlung der Impulssteuereinrichtung dargestellt, in welcher der Thyristor.24 unmittelbar parallel zu dem Widerstand 20 und nicht parallel zu dem Widerstand 20 und der Diode 22 geschaltet ist.

In Fig. 7 ist eine weitere Abwandlung der Impulssteuereinrichtung dargestellt, in welcher die Diode 22 durch einen Thyristor 26 ersetzt ist, der in Reihe zu dem Widerstand 20 geschaltet ist und während eines Abbremsvorgangs in den Zwischenimpulsperioden gezündet wird.

Selbstverständlich können auch noch verschiedene andere Ausführungsformen von Steuerschaltungen vorgesehen sein, um ein Zünden des Thyristors 24 zu verhindern und den Motorstrom während eines Abbremsvorgangs zu steuern. Beispielsweise könnte eine Steuerschaltung vorgesehen sein, um ein Zünden des Thyristors während der ersten wenigen Impulse der Impulssteuerung zu verhindern, nachdem die Richtungsschaltschütze geschlossen worden sind, um den Motor in Reihe mit der Stromversorgung und der Steuereinrichtung zu schalten. Während dieser Zeit zeigt dann die Richtung der Spannung an dem Anker an, ob der Motor abgebremst wird oder normal betrieben wird. Diese Spannung könnte infolgedessen durch eine entsprechende Schaltungsanordnung ge-

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fühlt und ein Sperren des Zündens des Thyristors beibehalten werden, wenn die Richtung der Spannung anzeigt, daß der Motor abgebremst wird.

Andererseits könnte der Thyristor, der die Impedanz kurzschließt, nur gezündet werden, wenn der Motorstrom, der in den Zwischenimpulsperioden fließt,einen vorbestimmten Wert überschreitet, der kleiner als der Maximalstrom ist, welcher während einer Abbremsung auftreten kann. Der Thyristor würde dann nicht während des normalen Betriebs gezündet, wenn der Motor unter dem vorbestimmten Pegel liegt, aber bei verhältnismäßig niedrigen Strömen würde dann die Impedanz in dem einseitig gerichteten Strompfad dessen Arbeitsweise wie ein freier Pfad des Motorstroms beeinflussen. Der Thyristor könnte dann beispielsweise gezündet werden, wenn die Spannung an dem Widerstand 2Ö einen vorbestimmten Wert überschritten hat, der dem vorbestimmten Strompegel entspricht.

Weitere Abwandlungen können in der vorbeschriebenen Ausführungsform vorgenommen werden. Beispielsweise könnte die Größe der Impe-

in
danz dem einseitig gerichteten Pfad parallel zu dem Anker und den Feldwicklungen so gewählt werden, daß sich ein gefordertes minimales Bremsmoment während einer Abbremsung ergibt, wobei der Hauptthyristor nicht leitend bleibt, so daß kein Strom von der Batterie aus abgegeben wird. Das Bremsmoment kann dann von dem Minimum aus erhöht werden, um den Thyristor impulszusteuern.

Statt ein Zündsignal an den Thyristor 2M- während des normalen Mo-

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torbetriebs anzulegen, so daß der Thyristor leitend bleibt, wenn er durch die Spannung an dem Motor in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, könnte das Zünden des Thyristors während der Zwischenimpulsperioden verzögert werden, um einen Teil der in dem Motor gespeicherten Energie an den Kommutierungskondensator zu übertragen, um dessen Durchlaßladung zu erhöhen. Der Thyristor könnte dann beispielsweise gezündet werden, wenn die Durchlaßspannung an dem Kommutierungskondensator einen vorbestimmten Pegel erreicht hat, wobei eine Schaltung verwendet wird, wie sie in der GB-PS 1 272 401 beschrieben ist. Die Ladung des Kommutierungskondensators in Durchlaßrichtung könnte weiter erhöht werden, indem ein Thyristor 26 anstelle der Diode 22 verwendet wird, wie in der Ausführungsform der Fig. 7 dargestellt; der Thyristor 26 würde dann gleichzeitig mit dem Thyristor 24 während des normalen Motorbetriebs gezündet· Während einer Abbremsung könnte der Thyristor 26 dann entsprechend der Durchlaßspannung an dem Kommutierungskondensator gezündet werden.

Der Thyristor zumKirzschließen der Impedanz in dem einseitig gerichteten Strompfad könnte durch andere Ausführungsformen von Schaltern ersetzt werden, beispielsweise durch einen Leistungstransistor oder durch einen elektromechanischen Schalter, der mit Steuereinrichtungen zum Schließen des Schalters während der Abbremsung und zum öffnen des Schalters während des normalen Motorbetriebs versehen ist.

Eine Impulssteuereinrichtung gemäß der Erfindung weist daher die folgenden Vorteile gegenüber Impulssteuereinrichtungen auf, bei

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welchen eine Abbremsdiode parallel zu dem Anker verwendet ist,

(a) 33er Anker und der Jeldstrom sind sowohl während des normalen Motorbetriebs als auch während eines AbbremsVorgangs immer gleich. Das Bremsmoment während einer Abbremsung kann infolgedessen durch Steuern des Motorstroms genau gesteuert werden. Das Moment könnte beispielsweise konstant gehalten oder in gewünschter Weise entsprechend irgendeinem anderen Parameter, wie beispielsweise der Motordrehzahl, geändert werden.

(b) Da die Anker- und Feldströme gleich sind, kann ein maximales Bremsmoment während einer Abbremsung ohne einen übermäßig hohen Ankerstrom erreicht werden.

(c) Die meiste der gespeicherten Energie, welche während einer Abbremsung vernichtet werden muß, wird in der Impedanz in dem in einer Richtung wirkenden Strompfad und nicht in dem Motoranker vernichtet.

(d) Wenn die Erfindung bei einer Thyristor-Impulssteuereinrichtung für den Fahrmotor eines batteriegetriebenen Fahrzeugs angewendet wird, in welchem im allgemeinen der Anker, die Feldwicklungen und der Haupttransistor in der angegebenen Reihenfolge zwischen die positiven und negativen Pole der Batterie geschaltet sind, können die Anoden des Haupfefeyristors, des Thyristors zum Kurzschließen der Impedanz und der in Reihe mit der Impedanz geschalteten Diode oder eines entsprechenden Thyristors an einem gemeinsamen Punkt angeschaltet sein, so daß diese drei Bauelemente auf einer gemeinsamen Wärmeableiteinrichtung angebracht werden können.

Patentansprüche

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Lee rTe'ite

Claims

Patentanspru ehe

( 1«j Impulssteuereinrichtung zum Steuern der Stromversorgung eines umkehrbaren Gleichstrom-Reihenschlußmotors, gekennzeichnet durch eine Halbleiter-Schaltanordnung (10 bis 14).die in Heihe zu dem Gleichstrommotor und einer Gleichstromversorgung geschaltet ist, und wiederholt betätigbar ist, um den Motor mit der Gleichstromversorgung zu verbinden und ihn von dieser zu trennen,durch einen in einer Richtung wirkende;!:. 3t:?u;:ipVaC: (iJC,_£.:J), der parallel zu dem Motoranker (4) und den Feldwicklungen (6) geschaltet ist und eine Impedanz (20) auf v/eist, so daß, wenn der Motor abgebremst wird, ein Strom in der Schleife mit dem Anker (4), den Feldwicklungen (G) und dem Strompfad (20,22) während der Perioden zwischen den Impulsen abfällt, wenn der Motor durch die Halbleiter- Schalteinrichtung von der Gleichstromversorgung getrennt ist; durch eine Schalteinrichtung (24), die vorgesehen ist, um die Impedanz (20) in dem in einer Richtung wirkenden Strompfad kurzzuschließen; durch eine Einrichtung zum Betätigen der Schalteinrichtung (24), um die Impedanz (20) während der Perioden zwischen den Impulsen zumindest dann kurzzuschließen, wenn der Motor nicht abgebremst wird, und durch Einrichtungen zum Steuern des Tastverhältnisses der Halbleiter-Schalteinrichtung während eines Abbremsvorgangs.

Impulssteuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Impedanz durch einen Widerstand (20) in dem einseitig gerichteten Strompfad (20,22) gebildet ist.

ORSGiMAL INSPECTED - 24 -

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3. Impulssteuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, um zu bestimmen, ob der Motor abgebremst wird oder sich in normalem Betriebszustand befindet und welche betätigbar ist, wenn der Motor abgebremst v/ird, um eine Betätigung der Schalteinrichtung (24) zum Kurzschließen der Impedanz (20) zu verhindern.

4. Impulssteuereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch g α k e :i niieichnet, daß die Einrichtung, um zu bestimmen, ob der Motor abgebremst wird oder sich in normalem Betriebszustand befindet, eine kühleinrichtung aufweist, um einen Stromfluß durch den einseitig gerichteten Pfad (20,22) parallel zu dem Anker (4) und den Feldwicklungen (6) während einer Zwischenimpulsperiode zu messen.

5. Impulssteuereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz in dem einseitig gerichteten Strompfad (20,22) ein Widerstand (20) ist, und daß die kühleinrichtung eine Einrichtung zum Fühlen der Spannung an dem Widerstand (20) wärend der Perioden zwischen den Impulsen aufweist .

6. Impulssteuereinrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, um zu bestimmen, ob der Motor abgebremst v/ird oder sich in normalem Betriebszustand befindet, eine Schaltungsanordnung aufweist, um

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gleichmäßige Intervalle zu schaffen, wobei jede Intervall-Länge gleich einer Anzahl lOlgeperioden der Halbleiter-Schalteinriehtung ist, wobei durch ein Signal die nächste Zwischenimpulsperiode auf eine Länge vergrößert wird, die ausreicht, um sicherzustellen,, daß der Strom in dem einseitig gerichteten Pfad (20,22) unter einen vorbestimmten Wert in der verlängerten Zwischenimpulsperiode abfällt, wenn sich der Motor in normalem Betriebszustand befindet.

7. Impuls st euer einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge&ennz ei chnet, daß durch die Betätigungseinrichtung nach Betätigung der Schalteinrichtung diese (24-) in einem Zustand gehalten wird, um die Impedanz (20) kurzzuschließen, bis Eichtungsschaltschütze (8) des Motors

geöffnet worden sind, um den Motor von der Stromversorgung zu trennen.

8. Impulssteuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennz ei chnet, daß die Einrichtung zum Steuern des Tastverhältnisses der Halbleiter-Schalteinrichtung während eines Abbremsvorgangs eine Einrichtung zum Begrenzen des Tastverhältnisses der Halbleiter-Schalteinriehtung während einer Abbremsung aufweist.

9. Impuls steuereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Begrenzen des Tastverhältnisses der Halbleiter-Schalteinrichtung während einer Abbremsung eine Einrichtung zum Fühlen des Stroms, der in dem einseitig gerichteten Strompfad während jeder Zwischenimpuls-

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Periode fließt, und eine Einrichtung zum Verzögern des Beginns des nächsten "Einschalt"-Impulses der Halbleiter-Schalteinrichtung aufweist, wenn der Strom einen voreingestellten Wert überschreitet, bis der Strom auf den voreingestellten Wert abgefallen ist.

10. Impulssteuereinrichtung nach Anspruch 9? dadurch g e k e η η-zeichne t,daß der voreingestellte Stromwert durch Verändern des Bremsmomentes einstellbar ist.

11. Impulssteuereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Begrenzen des Abtastverhältnisses der Halbleiter-Schalteinrichtung während einer Abbremsung eine Einrichtung zum Fühlen des Motorstroms während jeder "Einschalf-Periode der Halbleiter-Schalteinrichtung und eine Einrichtung zum Vorstellen des Endes des "Einschalf-Impulses aufweist, wenn der Strom einen vorbestimmten Wert überschreitet.

12. Impulssteuereinrichtung nach Anspruch 6, ■ ·: gekennzeichnet durch Einrichtungen, um eine Betätigung der Schalteinrichtung (24) zum Kurzschließen der Impedanz (20) des einseitig gerichteten Strompfads (20,22) während einer vorbestimmten Verzögerungsperiode von dem anfänglichen Schließen der Steuerschütze (8) an zu verhindern, die den Motor in Mhe mit der Gleichstromversorgung und der Halbleiter-Schalteinrichtung schalten.

15· Impulssteuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn ζ ei chnet, daß die Schalt-

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einrichtung zum Kurzschließn der Impedanz (20) in dem einseitig gerichteten Strompfad (20,22) einen Thyristor (24) aufweist, und daß die Betätigungseinrichtung (90) eine Zündschaltung aufweist, um ein Zündsignal an den Thyristor (24·) während der Perioden zwischen den Impulsen zumindest dann anzulegen, wenn der Motor nicht abgebremst wird.

14. Impulssteuereinrichtung nach Anspruch 13 ₉ dadurch g e ke η nzeichnet, daß der Thyristor (24) zum Kurzschließen der Impedanz unmittelbar parallel zu der Impedanz (20) geschaltet ist.

15· Impulssteuereinrichtung nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor (24) zum Kurzschließen der Impedanz parallel zu dem Motoranker (4) und den Feldwicklungen (6) und parallel zu dem gesamten einseitig gerichteten Strompfad geschaltet ist.

16. Impulssteuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschalteinrichtung eine Thyristor-Zerhackerschaltung aufweist.

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