DE3142336C2 - - Google Patents

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DE3142336C2
DE3142336C2 DE3142336A DE3142336A DE3142336C2 DE 3142336 C2 DE3142336 C2 DE 3142336C2 DE 3142336 A DE3142336 A DE 3142336A DE 3142336 A DE3142336 A DE 3142336A DE 3142336 C2 DE3142336 C2 DE 3142336C2
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Luigi Neuhausen Am Rheinfall Ch Steinbrecher
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SIG SCHWEIZERISCHE INDUSTRIE-GESELLSCHAFT NEUHAUSEN AM RHEINFALL CH
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Gleichstrommotors, in dessen Ankerkreis eine Mehrzahl in Stufen ein- oder ausschaltbarer Widerstände angeordnet ist, und bei dem der Ankerstrom mittels Feldbeeinflussung konstant gehalten wird, sowie eine Steuervorrichtung zur Ausführung des Verfahrens und eine Verwendung desselben.
Stand der Technik
Bei Gleichstrommotoren können grundsätzlich zwei charakteristische Drehzahl/Momentenkennlinien unterschieden werden. Im stationären Betrieb gilt allgemein:
Dabei bedeuten
n: Drehzahl
U: Klemmenspannung am Ankerkreis
p: Polpaarzahl
w: Windungszahl zwischen zwei Bürsten
Φ : Erregungsfluß
R A : Ankerwiderstand
I A : Ankerstrom
Unter Berücksichtigung des Ausdruckes für das Drehmoment M:
ergibt sich bei Nebenschlußschaltung des Motors eine Drehzahl/Drehmoment-Abhängigkeit gemäß
mit
c = 4 pw. (4)
Für den Reihenschlußmotor, bei welchem
Φ = kI A (5)
geschrieben werden kann, ergibt sich für die Drehzahl/Drehmoment-Abhängigkeit der Ausdruck
mit
c R = √
Aus dem Vergleich von (3a) und (3b) ist ersichtlich, daß beim Nebenschlußmotor die Drehzahl mit abnehmendem Drehmoment M linear zunimmt, während sie beim Reihenschlußmotor mit hyperbolisch zunimmt. Diese letzterwähnte sog. "weiche" Drehzahl/ Drehmomentenkennlinie ergibt ein günstiges Betriebsverhalten im stationären Betrieb, insbesondere bei Verwendung eines solchen Motors für den Antrieb des Fahrzeugs. Mit der sog. "harten" Nebenschlußkennlinie gemäß (3a) wird dagegen ein gutes Anfahrverhalten erzielt, durch entsprechende Wahl der Kennliniensteilheit.
Es ist nun aus dem Artikel "Schwere Industrie-Lokomotive mit Thyristorstromrichtern" aus ELEKTRISCHE BAHNEN, 1967, Heft 10 bekannt, einen Doppelschlußmotor mit der an sich ebenfalls harten Kennlinie des Nebenschlußmotors so zu führen, daß er eine dem Reihenschlußmotor entsprechende, "weiche" Drehzahl/Drehmomentenkennlinie aufweist. Dies wird dadurch erreicht, daß das Feld so geregelt wird, daß es dem Verlauf des Ankerstromes folgt. Hat die Quellspannung über dem Anker einen Minimalwert erreicht, so folgt das Feld dieser Ankerspannung, es tritt dann durch Feldschwächung eine Regelung der Anker-Klemmspannung auf diesen konstant gehaltenen Minimalwert der Quellenspannung. Damit wird der Doppelschlußmotor mit für den Fahrbetrieb günstigem Verhalten entsprechend der "weichen" Drehzahl/Drehmomentenkennlinie betrieben, jedoch entfällt damit sein eigentlich günstiges Anfahrverhalten entsprechend der "harten" Kennlinie gemäß (3a).
In der DE-AS 19 26 980 wird vorgeschlagen, einen im Nebenschluß geschalteten Gleichstrommotor mit Reihenschlußverhalten zu führen. Dies wird dadurch erreicht, daß in einem unteren Drehzahlbereich der Ankerstrom auf eine vorgegebene Führungsgröße geregelt wird, dabei die Erregung mit dem Ankerstrom verändert wird. Kann der Ankerstrom bei Erreichen einer bestimmten Drehzahl nicht mehr der Führungsgröße folgen, so setzt Feldschwächung ein.
Bei diesen erwähnten bekannten Techniken wird somit der Nebenschlußmotor charakteristikmäßig in einen Reihenschlußmotor gewandelt, jedoch unter Aufgabe des in gewissen Betriebsbedingungen, so beim Anfahren, erwünschten Nebenschlußverhaltens. Es ist nun mit der DE-OS 29 34 316 derselben Anmelderin ein Verfahren bekanntgeworden, durch welches ein Nebenschlußmotor selektiv mit Nebenschluß-Charakteristik oder Reihenschluß-Charakteristik betrieben werden kann, je nachdem, welche Charakteristik in welchem Betriebszustand optimal ist. Insbesondere wird dabei ein Antriebsmotor so betrieben, daß er unterhalb einer vorgegebenen Drehzahl mit Nebenschluß-Charakteristik, darüber mit Reihenschluß-Charakteristik geführt wird.
Obwohl durch die letzterwähnte Technik ein optimales Anfahr-, Betriebs- und Bremsverhalten des Motors erreicht wird, wird auch hier, ebenso wie in den oben erwähnten Schriften, mit Ankerstromrichtern resp. thyristorgesteuerten Gleichstrom-Pulswandlern gearbeitet. Wegen der Größe des Ankerstromes ist dabei der Aufwand für derartige Stromrichter mit der zugeordneten elektronischen Steuerung groß. Treten in solchen Anlagen Fehler auf, so muß die entsprechende Reparatur durch bestqualifiziertes Personal praktisch an Ort und Stelle vorgenommen werden, ansonsten müssen voluminöse Teile ausgebaut werden, was beispielsweise bei der Verwendung solcher Antriebe für Gruben-Lokomotiven außerordentlich nachteilig ist: Insbesondere dort muß angestrebt werden, Reparaturen am Antrieb durch dafür weniger qualifiziertes Personal an Ort und Stelle, beispielsweise durch modulartiges Auswechseln der schadhaften Funktionsblöcke, vorzunehmen.
In der AT-PS 28 78 57 wird ein Reihenschlußmotor beschrieben, bei dem das Produkt aus Ankerstrom und Erregerfeld durch Regelung des Erregerstromes konstant gehalten wird und damit auch die Motorleistung. Damit entfällt zwar der Nachteil einer aufwendigen Direktbeeinflussung des Ankerstromes, aber es fehlt die günstige "harte" Anfahrcharakteristik. Zwar ist in dieser Druckschrift erwähnt, daß sich die dort beschriebene Erfindung auch auf eine Stromregeleinrichtung bei einem fremderregten Motor bezieht, es ist aber nicht offenbart, wie das für einen Reihenschlußmotor im Einzelnen beschriebene Verfahren der Erregerfeldsteuerung auf Nebenschlußmotoren übertragen werden kann.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen Nebenschlußmotor so zu betreiben, daß praktisch bei jeder stationären Belastung reihenschlußähnliches Verhalten erzielt wird, daß weiter zum Anfahren die Nebenschluß-Charakteristik ausgenützt werden kann, ohne daß dabei Ankerstromrichter oder generell elektronische Stellglieder für den Ankerstrom notwendig wären. Damit entfällt der komplexe, relativ voluminöse elektronische Ankerstromsteller, die Reihenschluß- und Nebenschluß- Charakteristiken bleiben jedoch Betriebszustand-abhängig ausnützbar.
Dies wird mit einem Verfahren eingangs genannter Art dadurch erreicht, daß man für mindestens zwei der Widerstandsstufen je einen Ankerstrom-Minimalwert vorgibt, und bei Erreichen des jeweiligen Minimalwertes den Ankerstrom mittels Feldbeeinflussung konstant hält.
Damit ergibt sich, wie weiter zu beschreiben sein wird, ein Feld von Drehzahl/Drehmomentenkennlinien, deren jede im unteren Drehzahlbereich, entsprechend dem Verhalten eines Nebenschlußmotors mit zu- oder ausschaltbaren Ankerwiderständen, mit abnehmendem Drehmoment linear ansteigt, und bei einem jeweilig bestimmten Moment - dem vorgegebenen Ankerstrom-Minimalwert entsprechend - in hyperbolischen Verlauf übergeht. Dadurch, daß jede Kennlinie des Feldes entsprechend den zugeschalteten Widerständen diesen grundsätzlichen Verlauf aufzeigt, ergibt sich die Möglichkeit, bei praktisch jeder Belastung die weiche reihenschlußähnliche Charakteristik auszunützen.
Um bei abnehmender Belastung die bei Reihenschlußmotoren bekannte Gefahr des Überdrehens auf jeden Fall zu vermeiden, wird weiter vorgeschlagen, mindestens einen Erregungs-Minimalwert vorzugeben und bei Erreichen dieses Minimalwertes das Feld bei weiter steigender Drehzahl konstant zu halten. Damit geht der Motor bei oberen Drehzahlbereichen wiederum in Nebenschlußverhalten über, allerdings nun mit geschwächtem Feld.
Eine Steuervorrichtung zur Ausführung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß eine Strommeßanordnung im Ankerkreis vorgesehen ist, deren Ausgang einer Komparatorschaltung zugeführt ist, daß letzterer mindestens zwei Referenzsignalquellen, gekoppelt mit Widerstandsstufenschaltern, zuschaltbar sind, und daß der Komparatorschaltungsausgang In- resp. Außerbetriebnahme einer Ankerstrom/Erregungs-Regelung ansteuert, worin darin, vorzugsweise jeweils eine Referenzsignalquelle, als Ankerstrom- Führungs-Quelle, ausgeschaltet wird.
In einer weiteren Ausbildung der Steuervorrichtung wird vorgesehen, daß eine Begrenzungseinheit im Erregungssteuerkreis vorgesehen ist, die die Erregung nicht unter mindestens einen vorgebbaren Minimalwert absinken läßt.
Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich insbesondere für die Verwendung an batteriegetriebenen Fahrzeugen, insbesondere für Grubenlokomotiven.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird anschließend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Funktionsblock-Diagramm der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung,
Fig. 2 qualitativ das dabei erreichte Drehzahl/Drehmomenten- Kennlinienfeld.
Beschreibung der Einzelfiguren
Gemäß Fig. 1 weist ein Gleichstrommotor 1 einen Anker AB sowie eine fremderregte Nebenschlußwirkung IK auf. Der Anker AB ist über paarweise gekoppelte Ankerstrom-Richtungsschalter S 1 1/S 1 2 und S 2 1/S 2 2 mit der Ankerspeisung 3 verbunden. Der Ankerstromkreis wird mittels eines "Motor"-Betriebsschalters S M über die Speisung 3 geschlossen. Mit einem "Generator"-Betriebsschalter S G wird er im Bremsbetrieb bei gleichzeitiger Öffnung des Schalters S M in sich selbst geschlossen und von der Speisung 3 abgeschaltet. Im Motor- wie auch im bremsenden Generatorbetrieb sind im Ankerstromkreis beispielsweise vier Widerstände, R 1-R 4, mit Hilfe von Stufenschaltern S 1 A -S 4 A zu- resp. ausschaltbar. Der Ankerstrom I A wird mittels eines Stromwandlers 5 gemessen, der ein dem Ankerstrom entsprechendes Signal U (I A ) einem ersten Eingang 7 a einer Komparatorschaltung 7 zuführt.
Dem zweiten Eingang 7 b der Komparatorschaltung 7 ist eine Anzahl Referenz-Signalquellen 9 zuschaltbar, mit Signalen U (I A min )₀ bis U (I A min )₄. Diese Quellen 9 werden über Schalter S 0 bis S 4 selektiv dem Komparatoreingang 7 b aufgeschaltet. Wie gestrichelt dargestellt, schaltet der Schalter S 0 das Signal U (I A min )₀ auf den Eingang 7 b, wenn die größte Widerstandsstufe R S 0 der Anlaßwiderstände in den Ankerkreis geschaltet ist, d. h. R S 0 = R 1 + R 2 + R 3 + R 4, letzteres durch Betätigung des "Motor"-Betriebsschalters S M oder eines separaten Schalters S 0 A .
Analog werden die folgenden Referenzsignale U (I A min )₁- U (I A min )₄ dem Eingang 7 b aufgeschaltet, wenn entsprechend die erste, zweite, dritte oder vierte Widerstandsstufe R S 1 , R S 2 , R S 3 , R S 4 zugeschaltet ist, die sich zu
R S 1 = R 2 + R 3 + R 4
R S 2 = R 3 + R 4
R S 3 = R 4
R S 4 = 0 (resp. = Widerstand des Ankers)
ergeben.
Es ist jeweils nur diejenige Quelle 9 auf 7 b geschaltet, deren entsprechende Widerstandsstufe wirksam ist.
Der Ausgang 7 c der Komparatorschaltung 7 resp. das dort erscheinende Signal steuert, sobald das dem Ankerstrom-Ist-Wert entsprechende Signal U (I A ) am Eingang 7 a das jeweils wirksame Referenzsignal U (I A min ) erreicht, zwei Schalter, S X und S W an. Der Regelgrößenschalter S X verbindet darauf den Ausgang des Stromwandlers 5 mit einem Eingang einer Vergleichseinheit 11, während der Führungsgrößenschalter S W dann den Eingang 7 b des Komparators 7 und dabei die gerade aufgeschaltete Quelle 9 auf den zweiten Eingang der Vergleichseinheit 11 schaltet. Ihr Ausgang ist einem Regler 13 zugeführt, der vorzugsweise als PI- oder PID-Regler ausgelegt ist, dessen Ausgang wiederum auf einen Spannungs-/Stromwandler 15 geschaltet ist. Der Wandler 15 ist, wie die qualitative Charakteristik darunter aufzeigt, so ausgelegt, daß der Ausgangsstrom, ausgehend vom Maximal- Ausgangsstrom I E 0 bei Eingangsspannung Null mit zunehmendem Eingangssignalbetrag abnimmt. Der Ausgang des Wandlers 15 liefert den Erregerstrom I E an die Erregerwicklung IK.
Das resultierende Verhalten der beschriebenen Steuervorrichtung soll am Kennlinienfeld von Fig. 2 erläutert werden.
Zum Anfahren wird die größte Widerstandsstufe R S 0 in den Ankerkreis des Motors geschaltet. Gleichzeitig wird der Schalter S 0 geschlossen und schaltet das Referenzsignal U (I A min )₀ aus dem Eingang 7 b der Komparatorschaltung 7. Der Motor läuft auf dem Kennlinienast I entsprechend der zugeschalteten Widerstandsstufe R S 0 mit Nebenschlußverhalten an. Dabei nimmt der Ankerstrom I A wegen der mit der Drehzahl steigenden Quellenspannung U Q ab und damit, (2), das Momenta M.
Solange I A < I A min ₀ ist, sind S X und S W auf Null geschaltet: Der Erregerstrom ist konstant I E 0 . Erreicht der Ankerstrom gemäß Fig. 2, z. B. im Punkt P 0, den durch das Referenzsignal U (I A min )₀ festgelegten Wert I A min ,₀ so schließt der Komparator 7 die Erregungs-Regelung, indem er Führungs- und Regelgrößenschalter S X und S W schließt. Damit werden Ankerstrom- Ist-Wert und Ankerstrom-Soll-Wert auf die Vergleichseinheit 11 geschaltet. Über Regler 13 und Spannungsstromwandler 15 wird der Erregerstrom I E so gestellt, daß der Ankerstrom nicht unter I A min ₀ sinkt.
Löst man (1) nach der Erregung Φ auf, so ergibt sich
woraus ersichtlich ist, wie die Erregung zur Konstanthaltung des stufenspezifischen Minimalankerstromes I A min gestellt wird. Einsetzen dieses Ausdruckes sowie der Ankerstrom-Minimalwerte in (2) ergibt die daraus resultierende Drehmoment/Drehzahl- Abhängigkeit
Im Unterschied zum üblichen Reihenschlußverhalten läuft der Motor nach P 0 entlang einem proportionalen Kennlinienast II hoch. Sorgt nicht das Lastmoment beispielsweise mit M L , in Fig. 2 eingetragen, für die Stabilisierung des Motors, so überdreht er gemäß dem Kennlinienast IIIa.
In Fig. 2 sind die in den nun weiter zugeschalteten Widerstandsstufen R S entsprechenden Charakteristiken mit den Punkten P 1- P 5 eingetragen, an welchen die Schaltung gemäß Fig. 1 mittels Feldschwächen die Konstanthaltung des jeweiligen Minimal-Ankerstromes vornimmt.
In Fig. 2 ist weiter ein Verlauf im Kennlinienfeld bei beispielsweisem Anfahren gegen ein Lastmoment M L eingezeichnet. Auf dem Ast I entschließt sich die Bedienungsperson, am Punkt Q 1 in die nächst kleinere Widerstandsstufe R S 1 zu schalten, d. h. bevor in R S 0 die Ankerstromregelung durch Feldsteuerung eingesetzt hat. Bei Erreichen des Punktes P 1, entsprechend dem Ankerstrom I A min ₁ von Fig. 1, setzt die Regelung ein und führt den Motor in den stabilen Arbeitspunkt bei R S 1 auf der Lastkennlinie M L . Entschließt sich die Bedienungsperson zu einer Weiterbeschleunigung, so schaltet sie die nächst kleinere Widerstandsstufe R S 2 ein. Dabei kann, wie ersichtlich, unmittelbar in den hyperbolischen Ast der nächsten Kennlinie geschaltet werden, d. h. die Regelung setzt beim dargestellten Sprung von R S 1 auf R S 2 nicht mehr aus, es wechselt lediglich die Ankerstromführungsgröße von U (I A min )₁ auf U (I A min )₂.
Zum Bremsen wird der Motorbetriebsschalter S M geöffnet und dann der Generatorschalter S G eingeschaltet, darauf werden sukzessive die Widerstandsstufen R S 4 bis R S 0 wieder zugeschaltet. Dabei wird vorzugsweise durch Öffnen der Regelschalter S X und S W die Erregung wieder auf ihren Maximalwert entsprechend I E 0 erhöht, auf jeden Fall konstant gehalten.
Um nun zu verhindern, daß der Motor gemäß dem Kurvenast IIIa überdrehen kann, wird gemäß Fig. 1, eine Begrenzungseinheit 17 in den Erregungssteuerkreis eingeschaltet, welche, wie die eingetragene Charakteristik ihres Ausgangsstromes I E zum Eingangsstrom I E andeutet, den Strom I E nur bis zu einem vorgegebenen Minimalwert I′ E min absinken läßt. Dieser Minimalwert wird entweder für alle Widerstandsstufen R S einheitlich vorgegeben, oder stufenspezifisch.
Wie damit aus Fig. 2 ersichtlich, geht dann der Motor an den Betriebspunkten T wiederum in Nebenschluß-Charakteristik über, entsprechend (3 a) mit der jeweils zugeschalteten Ankerwiderstandsstufe R S und nach Maßgabe des nicht unterschrittenen jeweiligen Erregerstromes I′ E min . In Fig. 2 wurde das Kennlinienfeld dargestellt, das qualitativ entsteht, wenn für alle Stufen R S ein gemeinsamer Erregungs-Minimalwert I′ E min vorgesehen wird, da sich nur dann die entstehende Nebenschluß-Charakteristik- Äste IIIb bei M = 0 in einem Punkt auf der n-Achse schneiden.
Der Spannungs/Stromwandler 15 kann wegen der relativ geringen Erregungsstromgröße ohne weiteres als transistorisierte Einheit aufgebaut werden, d. h., als Transistorstromquelle, ebenso wird die Begrenzungseinheit 17 als bekanntes Funktionsnetzwerk mit Halbleiterelementen, insbesondere Begrenzungsdioden, aufgebaut.
Zum Erhalt der abfallenden Spannungs/Stromwandler-Charakteristik, kann z B. eine Referenzspannung U E 0 sowie die Ausgangsspannung des Reglers 13 einem Differenzverstärker zugeschaltet werden, dessen Ausgang U a = k (U E 0-U 1 3) - k seine Verstärkung, U 1 3 die Regler-Ausgangsspannung - eine Transistorstromquelle ansteuert. Wird im Bremsbetrieb das Feld nicht umgepolt, was bei der beschriebenen Anordnung der Fall ist, so kann die Stromquelle für eine Strompolarität ausgelegt sein.
Es muß noch darauf hingewiesen werden, daß die beschriebene Ankerstrom/Erregungs-Regelung im Vergleich zum üblichen Reihenschlußverhalten einen zusätzlichen Vorteil mit sich bringt. Die beispielsweise in Fig. 2 eingetragene Reihenschluß- Charakteristik mit verläuft wesentlich flacher als die der erwähnten Regelung erzielte -Charakteristik. Dies ermöglicht, das Betriebsfeld mit wenigen stufenspezifischen Charakteristiken abzudecken, da jeweils die Drehzahl mit abnehmendem Moment relativ stark ansteigt. Aus der Tatsache, daß für das vorgeschlagene Verfahren, resp. für die Steuervorrichtung zu dessen Ausführung keine Ankerstromsteller vorgesehen werden müssen, ergibt sich die Möglichkeit, die ganze Steuerelektronik, die sich auf die Erfassung des Ankerstromes sowie auf die Stellung der Erregung beschränkt, modulartig auswechselbar auszubilden. Somit können, insbesondere bei so betriebenen Grubenlokomotiven mit Batterie-Antrieb, beim Abnehmer mehrere Reservesteuerungen bereitgehalten werden, so daß bei Beschädigung der eingesetzten diese ersetzt und ohne Betriebszeiteinbuße zur Reparatur eingeschickt werden können.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betrieb eines Gleichstrommotors, in dessen Ankerkreis eine Mehrzahl in Stufen (R S 0-R S 4) ein- oder ausschaltbarer Widerstände (R 1-R 4) angeordnet ist, und bei dem der Ankerstrom mittels Feldbeeinflussung (11, 13, 15, 17) konstant gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß man bei einem Nebenschlußgleichstrommotor für mindestens zwei der Widerstandsstufen (R S 0-R S 4) je einen Ankerstrom-Minimalwert (I A min ₀-I A min ₄) vorgibt, und die Konstanthaltung bei Erreichen des jeweiligen Minimalwertes einsetzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens einen Erregungs-Minimalwert (I′ E min ) vorgibt und bei Erreichen dieses Wertes das Feld bei weiter steigender Drehzahl konstant hält.
3. Steuervorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strommeßanordung (5) im Ankerkreis vorgesehen ist, deren Ausgang einer Komparatorschaltung (7) zugeführt ist, daß letzterer (7) weiter mindestens zwei Referenzsignalquellen (9), gekoppelt mit Widerstandsstufenschaltern (S 0 A /S 0; S 1 A /S 1 . . .) zuschaltbar sind, und daß der Komparatorschaltungsausgang (7 c) die In- resp. Außerbetriebnahme einer mit Feldsteuerung arbeitenden Ankerstrom-Regelung (S X , S W , 11, 13, 15, 17) ansteuert, wobei darin jeweils eine der Referenzsignalquellen (9) als Ankerstromführungs- Quelle aufgeschaltet wird.
4. Steuervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Begrenzungseinheit (17) im Erregungssteuerkreis vorgesehen ist, die die Erregung nicht unter mindestens einen vorgebbaren Minimalwert absinken läßt.
5. Steuervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie modulartig auswechselbar ausgebildet ist.
6. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 für batteriebetriebene Antriebsmotoren, insbesondere für den Antrieb von Grubenlokomotiven.
DE19813142336 1981-06-05 1981-10-26 Verfahren zum betrieb eines nebenschlussgleichstrommotors sowie steuervorrichtung zur ausfuehrung des verfahrens und verwendung desselben Granted DE3142336A1 (de)

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