DE3426930C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleichstromstellerschaltung mit automatischer Feldschwächung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Gleichstromstellerschaltung mit automatischer Feld­ schwächung ist in der nachveröffentlichten DE-OS 33 38 318, die dem Stand der Technik zuzurechnen ist, beschrieben. Dabei wird vorgeschlagen, bei Speisung mehrerer parallel ge­ schalteter Motoren die Feldwicklung jedes Motors über einen eigenen Feldvorwiderstand mit einer gemeinsamen Feldfreilaufdiode sowie direkt mit einem diese Freilauf­ diode und einen Feldvorwiderstand überbrückenden Regelthyristor zu verbinden.

Ähnliche Gleichstromsteller mit automatischer Feldschwä­ chung sind aus Brown, Boveri Mitteilungen 12 (1978), Seite 777 bis 785, "10 Jahre BBC-Gleichstromsteller für Nahverkehrfahrzeuge" und der BBC-Druckschrift Nr. DVK 90 041 D, "Die BBC-Gleichstromsteller-Ausrüstung für den Startbahnwagen M/N", Sonderdruck aus "Nahverkehrspraxis" Jg. 26, Heft 11 u. 12, bekannt. Dabei wird bei der Antriebs­ schaltung für einen Gleichstrom-Reihenschlußmotor der Feldschwächenbetrieb - ohne den sonst üblichen Zusatzauf­ wand für Widerstände und Kontakte oder gar eigenen Feld­ steller - automatisch dadurch eingestellt, daß der vom Anker auf das im Freilaufkreis liegende Feld kommutie­ rende Strom mit zunehmender Aussteuerung kontinuierlich abnimmt, bis an einen fest eingestellten, dem Motor zu­ träglichen kleinsten Erregergrad.

Zur Umgruppierung der bekannten Gleichstromsteller zwi­ schen Fahr- und Bremsbetrieb ist es üblich, mechanische Schaltkontakte einzusetzen. Es können beispielsweise elektromotorisch angetriebene Schaltwerke verwendet wer­ den. Diese Schaltwerke müssen für hohe Schalthäufigkeit und kleine Schaltzeiten ausgelegt sein und sind daher mechanisch sehr aufwendig.

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrun­ de, eine Gleichstromstellerschaltung mit automatischer Feld­ schwächung der eingangs genannten Art anzugeben, die den Betriebsartwechsel Fahren, Bremsen und umgekehrt kon­ taktlos ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeich­ neten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß die Gleichstromstellerschaltung sehr schnell und ohne jeden mechanischen Verschleiß vom Fahrbetrieb in den Bremsbetrieb und umgekehrt umgrup­ piert werden kann. Durch den Wegfall der bisher üblichen mechanischen Umschaltkontakte entfallen Inspektions- und Wartungsarbeiten. Der Gleichstromsteller ist sehr wenig aufwendig aufgebaut.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsform erläutert.

In der Zeichnung ist ein Prinzipschaltbild des Zweiqua­ dranten-Gleichstromstellers mit automatisch einsetzbarer Feldschwächung dargestellt. Die Schaltungsanordnung ist über einen Pluspol 1 (erster Pol) und einen Minuspol 2 (zweiter Pol) mit einer Gleichspannungsquelle (Fahrlei­ tungsnetz) 3 verbunden. An den Pluspol 1 ist über eine Eingangsfilterdrossel 4 eine Seriendiode 5 mit ihrer Anode angeschlossen. Der gemeinsame Verbindungspunkt von Filterdrossel 4 und Diode 5 ist mit einem Eingangsfil­ terkondensator 6 beschaltet, dessen weiterer Anschluß am Minuspol 2 liegt.

Die Kathode der Diode 5 ist an die erste Klemme einer Ankerwicklung 7 eines Gleichstrom-Reihenschlußmotors 8 angeschlossen. Der Motor 8 dient zum Antrieb eines Gleichstromfahrzeuges, vorzugsweise eines Nahverkehr­ fahrzeuges. Die zweite Klemme der Ankerwicklung 7 ist über einen Motorglättungsdrossel 9 und einen zünd- und löschbaren elektronischen Schalter für Fahrbetrieb 10 (= Fahrventil 10) mit dem Minuspol 2 verbunden. Dem Fahrventil 10 liegt eine erste Rückspeisediode 11 anti­ parallel.

An den gemeinsamen Verbindungspunkt von Filterdrossel 4 und Seriendiode 5 ist die Kathode einer zweiten Rück­ speisediode 12 angeschlossen, an deren Anode ein Netz­ schutzwiderstand 13 und ein Bremswiderstand 14 liegen. Der Neutzschutzwiderstand 13 ist andererseits mit der Anode einer ersten Freilaufdiode 16 sowie mit einem Ver­ bundwiderstand 15 verbunden.

Der Verbundwiderstand 15 ist andererseits an den gemein­ samen Verbindungspunkt von Seriendiode 5 und Ankerwick­ lung 7 sowie an die Kathode einer zweiten Feldfreilauf­ diode 17 angeschlossen. Die Anode der zweiten Feldfrei­ laufdiode 17 liegt an der zweiten Klemme einer Feldwick­ lung 18 sowie an der Anode eines zünd- und löschbaren elektronischen Schalters für Bremsbetrieb (Bremsventil) 19. Die Kathode des Bremsventils 19 ist an den gemeinsa­ men Verbindungspunkt von Motorglättungsdrossel 9 und Fahrventil 10 angeschlossen, das gleiche gilt für die Anode einer Ankerfreilaufdiode 20, deren Kathode ebenso wie die Kathode der ersten Feldfreilaufdiode 16 an der ersten Klemme der Feldwicklung 18 liegt.

An den Verbindungspunkt von Motorglättungsdrossel 9 und Fahrventil 10 ist schließlich noch die Kathode eines Widerstandsbremsventils 21 angeschlossen, dessen Anode mit dem Bremswiderstand 14 verbunden ist.

Das letztgenannte Widerstandsbremsventil 21 kann wahl­ weise als löschbares Ventil (z. B. als GTO-Thyristor) oder als nichtlöschbares Ventil (z. B. als Thyristor) ausgebildet sein, während als Fahrventil 10 und als Bremsventil 19 stets löschbare Ventile (z. B. GTO-Thy­ ristoren) einzusetzen sind.

Nachfolgend wird der Funktionsablauf der Gleichstrom­ stellerschaltung beschrieben.

Im Fahrbetrieb des Gleichstromfahrzeuges bleiben das Bremsventil 19 und das Widerstandsbremsventil 21 stets gesperrt und Leistung, Drehmoment bzw. Drehzahl des An­ triebes werden durch periodisches Schalten des Fahrven­ tils 10 geregelt.

Bei leitendem Fahrventil 10 fließt ein Ankerstrom vom Pluspol 1 über die Eingangsfilterdrossel 4, die Serien­ diode 5, die Ankerwicklung 7, die Motorglättungsdrossel 9 und das Fahrventil 10 zum Minupol 2. Gleichzeitig bildet sich ein Feldfreilaufstrom über die Freilaufdiode 17, den Verbundwiderstand 15, die Feldfreilaufdiode 16 und die Feldwicklung 18 aus.

Bei gesperrtem Fahrventil 10 fließt ein Ankerfreilauf­ strom über die Motorglättungsdrossel 9, die Ankerfrei­ laufdiode 20, die Feldwicklung 18 und die Feldfreilauf­ diode 17 zur Ankerwicklung 7.

Durch die Anordnung der Feldwicklung 18 im Freilaufzweig des Ankers wird die z. B. aus der BBC-Druckschrift DKV 90 041 D bekannte automatische Feldschwächung er­ zielt. Das Schaltungskonzept der bei Fahrbetrieb automa­ tisch einsetzenden Feldschwächung geht von der Tatsache aus, daß sich im Ankerfreilaufkreis - ausgeführt mit der Ankerfreilaufdiode 20 - pulsierende Ströme mit gleichen Scheitelwerten wie im Ankerkreis ausbilden. Dieser Vor­ gang ist nur dann möglich, wenn die dafür benötigte Zeit zur Verfügung steht. Geht die Aussteuerung des Fahrven­ tils 10 in die Nähe von 1 (Vollaussteuerung), so reicht die Zeit für den Stromaufbau nicht mehr aus. Der Schei­ telwert des Stromes im Ankerfreilaufkreis fällt gegen­ über dem Scheitelwert der Ankerströme ab. Über den Frei­ laufkreis des Motorfeldes - ausgeführt mit den Feldfrei­ laufdioden 16 und 17 - ergibt sich eine Spitzenwert­ gleichrichtung der Stromimpulse des Ankerfreilaufkrei­ ses.

So entstehen aus den Stromscheitelwerten des Ankerfrei­ laufkreises die sehr gut geglätteten Feldströme, deren Größe in Abhängigkeit der Stromscheitelwerte im Anker­ freilaufkreis gesteuert werden.

Obwohl die Motorfelder in einem Nebenschlußzweig liegen, behält also die Anordnung im gesamten Arbeitsbereich ihre Reihenschlußcharakteristik. Die Schaltung mit dem ihr eigenen kontinuierlichen Feldschwächvorgang erlaubt im Gegensatz zur konventionellen Feldschwächung einen stufenlosen Betrieb ohne Einschränkung im gesamten Zug­ kraftgeschwindigkeitsbereich eines Gleichstromfahrzeu­ ges.

Im Bremsbetrieb des Gleichstromfahrzeuges bleibt das Fahrventil 10 stets gesperrt und die Bremsleitung wird durch periodisches Schalten des Bremsventils 19 gere­ gelt. Zusätzlich kann bei nichtaufnahmefähigem oder teilaufnahmefähigem Netz 3 das Widerstansbremsventil 21 periodisch geschaltet werden, um die gesamte Bremslei­ stung bzw. einen Teil der Bremsleistung dem Bremswider­ stand 14 zuzuführen.

Das Konzept der Bremsschaltung mit geregelter Feldschwä­ chung baut auf eine Schaltung auf, in der das Motorfeld (Feldwicklung 18) des Reihenschlußmotors 8 nicht direkt im Ankerkreis, sondern parallel zum Motoranker sowie zum Bremswiderstand 14 und der Gleichspannungsquelle 3 (Fahrleitungsnetz) liegt. Die Bremskraft wird durch das mit dem Motorfeld in Reihe liegende Bremsventil 19 über den Feldstrom geregelt, ohne daß eine Widerstandsstufung nötig ist. Das Motorfeld hat einen eigenen Freilauf­ kreis. Die Erklärung der Vorgänge in der Schaltung be­ ginnt mit einem Bremsvorgang aus großer Drehzahl und geschwächtem Motorfeld. Bei Durchschalten des Bremsven­ tils 19 teilt sich der Ankerstrom in je einen Teil durch den Lastkreis Minuspol 2 - Rückspeisediode 11 - Motor­ glättungsdrossel 9 - Ankerwicklung 7 - Verbundwiderstand 15 - Netzschutzwiderstand 13 - Rückspeisediode 12 - Ein­ gangsfilterdrossel 4 - Pluspol 1 - Netz 3 (Rückspeisung in das Netz 3) bzw. Widerstandsbremsventil 21 - Motorglättungsdrossel 9 - Ankerwicklung 7 - Verbundwi­ derstand 15 - Netzschutzwiderstand 13 - Bremswiderstand 14 bei gezündetem Widerstandsbremsventil 21 (bei nicht­ aufnahmefähigem oder teilaufnahmefähigem Netz 3) und einen Teil durch das Motorfeld Feldfreilaufdiode 16 - Feldwicklung 18 - Bremsventil 19 - Motorglättungsdrossel 9 - Ankerwicklung 7 - Verbundwiderstand 15 (Aufmagneti­ sierung der Feldwicklung 18). Die Induktivität des Mo­ torfeldes läßt nur einen langsamen Stromaufbau zu. Die Stromführungsdauer des Bremsventils 19 bestimmt die Höhe des sich ergebenden Feldstromes.

Sobald der Ankerstrom nach Sperren des Bremsventils 19 wieder ungeteilt in den oben bezeichneten Lastkreis fließt, schließt sich der Feldstrom der Wicklung 18 über den Verbundwiderstand 15 und die beiden Feldfreilaufdi­ oden 16, 17. Der Feldkreis 15-16-18-17 entnimmt dem An­ kerkreis nur die Energie zur Deckung seiner Verluste. Das Bremsventil 19 steuert durch periodisches Schalten lediglich die Höhe des Feldstromes, hat aber auf den Energiefluß zum Lastkreis nur unbedeutenden Einfluß.

Mit abnehmender Drehzahl ändern sich die Verhältnisse, denn die Anhebung der gesunkenen Ankerspannung auf die darüberliegende Spannung des Lastkreises (Gleichspan­ nungsquelle 3) erfordert eine zunehmend längere Durch­ schaltzeit des Bremsventils 19. Der Feldstrom nimmt schließlich - wie bei der Reihenschlußmotorschaltung - den Wert des Ankerstromes an. Dem Ankerstromkreis wird wiederum nur die Energie zur Deckung der Verluste im Feldkreis entnommen.

Zwischen den beiden genannten Bereichen besteht eine Übergangszone, in welcher die Feldsteuerung von der Transformation der Ankerspannung mehr und mehr abgelöst wird. Die Charakteristik in dieser Übergangszone läßt sich durch die Größe des Verbundwiderstandes 15 anpas­ sen.

Der Verbundwiderstand 15 bestimmt die Feldzeitkonstante, was sich besonders günstig auf die Regeldynamik der Schaltung auswirkt. Darüber hinaus erhöht der Widerstand 15 die Stabilität der Bremsschaltung.

Der Bremswiderstand 14 wird entsprechend der Aufnahmefä­ higkeit des Fahrleitungsnetzes 3 über das Bremsventil 21 zugeschaltet. Dabei ist es nicht notwendig, als Wider­ standsbremsventil 21 ein löschbares Ventil einzusetzen, da das Widerstandsbremsventil 21 durch das Bremsventil 19 mitgelöscht werden kann. Durch periodische Löschung des Widerstandsbremsventils 21 über das Bremsventil 19 und durch Veränderung seiner Einschaltzeit kann der Strom durch den Bremswiderstand 14 den sich stetig än­ dernden Lastverhältnissen des Fahrleitungsnetzes 3 kon­ tinuierlich angepaßt werden. Dabei ist die Zuschaltdauer dieses Widerstandes 14 umgekehrt proportional der Auf­ nahmefähigkeit des Fahrleitungsnetzes 3. Bei völlig feh­ lender Aufnahmefähigkeit verlöschen die beiden Rückspei­ sedioden 11, 12.

Es ist auch möglich, im Bremsbetrieb unabhängig von der Aufnahmefähigkeit des Netzes 3 gleichzeitig mit dem Bremsventil 19 das Widerstandsbremsventil 21 zu zünden, um so über den Netzschutzwiderstand 13 und den Bremswi­ derstand 14 eine zusätzliche Beschaltung des Feldes zu erreichen.

Der Netzschutzwiderstand 13 hat Schutzfunktionen für den Motor 8 bei Netzkurzschluß und dient als Vorwiderstand für die Betriebsfälle, in denen die Motorspannung über der maximal zulässigen Netzspannung liegt. Im reinen Netzbremsbetrieb (Bremsventil 21 stets gesperrt) wird der Widerstand 13 nur vom Netzstrom durchflossen. Im hohen Drehzahlbereich mit großen Bremsleistungen hilft er, extreme Leistungsspitzen vom Netz 3 fernzuhalten.

Claims (3)

1. Gleichstromstellerschaltung für ein durch minde­ stens einen Gleichstrom-Reihenschlußmotor antreibbares elektrisches Fahrzeug mit automatisch einsetzender Feldschwächung im Fahrbetrieb und geregelter Feldschwächung im Bremsbe­ trieb, wobei eine erste Klemme der Ankerwicklung des Mo­ tors über eine Seriendiode mit einem ersten Pol einer Gleichspannungsquelle, eine zweite Klemme der Ankerwick­ lung über einen ersten zünd- und löschbaren elektroni­ schen Schalter mit einem zweiten Pol der Gleichspan­ nungsquelle und eine erste Klemme der Feldwicklung über eine Ankerfreilaufdiode mit der zweiten Klemme der An­ kerwicklung sowie über eine erste Feldfreilaufdiode mit der ersten Klemme der Ankerwicklung verbunden sind, ge­ kennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• - der nur für den Fahrbetrieb des Fahrzeuges dienende erste zünd- und löschbare elektronische Schalter (10) ist von einer ersten Rückspeisediode (11) di­ rekt überbrückt,
• - für den Bremsbetrieb ist ein eigener, zweiter zünd- und löschbarer elektronischer Schalter (19) vorge­ sehen, der einerseits mit der zweiten Klemme der Ankerwicklung (7), andererseits mit einer zweiten Klemme der Feldwicklung (18) und über eine zweite Feldfreilaufdiode (17) mit der ersten Klemme der Ankerwicklung (7) verbunden ist,
• - zwischen erster Feldfreilaufdiode (16) und erster Klemme der Ankerwicklung (7) ist ein Verbundwider­ stand (15) angeordnet, wobei der gemeinsame Verbin­ dungspunkt beider Bauelemente (16, 15) über einen Netzschutzwiderstand (13) und eine zweite Rückspei­ sediode (12) an den ersten Pol (1) der Gleichspan­ nungsquelle (3 ) angeschlossen ist.

2. Gleichstromstellerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zünd- und löschbaren elektronischen Schalter (10, 19) GTO-Thyristoren sind.

3. Gleichstromstellerschaltung nach einem der An­ sprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Serienschaltung eines Bremswiderstandes (14) und eines Widerstandsbremsventils (21) zwischen der zweiten Klemme der Ankerwicklung (7) und dem gemeinsamen Verbindungs­ punkt von Netzschutzwiderstand (13) und zweiter Rück­ speisediode (12) angeordnet ist.