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Steuervorrichtung für die Kontakte eines Widerstandsstufenschalters eines elektrischen Kollektormotors
Die'Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für die Kontakte eines (elektropneumatischen oder elek- tromagnetischen) Widerstandsstufenschalters eines elektrischen Kollektormotors, welcher beispielsweise ein Fahrzeugmotor oder ein Motor für den Antrieb einer Walzenstrasse sein kann.
Öffentliche Verkehrsbetriebe, welche elektrische Zugfahrzeuge benützen, verlangen möglichst wenig
Unterhaltsarbeiten. Um das zu erreichen, ist es zweckmässig, mechanische Kontakte durch elektronische
Kreise zu ersetzen, besonders dann, wenn viele Schaltoperationen auftreten.
Es sei beispielsweise ein Trolleybus mit einem Seriemotor und einem Anfahrwiderstand betrachtet.
Das Ausschalten des Widerstandes erfolgt durch einen Stufenschalter, der in bestimmter Folge seine Kon- takte nacheinander schaltet, so dass der Widerstand allmählich und stetig abnimmt, u. zw. im Masse wie die Geschwindigkeit ansteigt.
Um eine befriedigende Regelung des Anfahrstromes zu erhalten und die Beschleunigungsstösse (beim Anfahren) zu vermindern, ist eine relativ grosse Zahl von Kontaktstufen nötig. Gleichzeitig erfordern die Verkehrsbedingungen, wie kurze Fahrstrecken, häufiges Anfahren, häufiges Bremsen und darauffolgendes Beschleunigen, ein sehr intensives Arbeiten der Stufenkontakte. Aus diesen beiden Gründen werden die in den Steuerkreisen benützten Kontakte rasch abgenützt. Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile dadurch zu vermeiden, dass diese Steuerkreiskontakte durch elektronische Kreise ersetzt werden.
Die Verwendung elektronischer Elemente bietet noch den andern Vorteil, die automatische Regelung zu erleichtern, indem die für den Betrieb der Mess- und Steuereinrichtungen nötige Energie vermindert wird. Auf diese Weise kann man beispielsweise eine Beschleunigungsregelung erzielen, die besonders bei Trolleybussen interessant ist.
Diese müssen tatsächlich mit sehr verschiedener Belastung anfahren, wobei auch die Fahrbahnneigungen sehr verschieden sind. Sieht man eine automatische Vorrichtung zum Konstanthalten des Anfahrstromes vor, so ist die Beschleunigung sehr verschieden, je nachdem der Trolleybus auf steigender oder fallender Strasse und mit voller Belastung oder leer anfährt. Man erhält so in gewissen Fällen viel zu grosse und in andern Fällen zu geringe Beschleunigungen. Sieht man aber (mit Hilfe elektronischer Elemente) eine automatische Einrichtung zum Konstanthalten der Beschleunigung beim Anfahren vor, so erhält man ein bequemeres Fahrzeug, dessen Unterhalt auch rationeller ist.
Die erfindungsgemässe Steuervorrichtung ist gekennzeichnet durch einen Spannungsgeber, der eine wenigstens in Funktion der Geschwindigkeit eines durch den Motor angetriebenen Fahrzeuges oder einer andern durch ihn angetriebenen Maschine und des Arbeitsstromes des Motors veränderliche Spannung erzeugt, und durch eine Reihe von elektronischen Relais, die von dieser Spannung gesteuert werden und von denen jede einen Stufenkontakt steuert, wobei jedes Relais eine von den übrigen Relais verschiedene Ansprechspannung aufweist.
Widerstandsstufen zum Schalten von Kollektormotoren sind-entgegen etwaigen Vermutungen - kei- neswegs veraltet, und dies besonders dann nicht, wenn man zu ihrer Steuerung die erfindungsgemässen elektronischen Mittel verwendet.
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Es sind zwar einige versuchsweise eingesetzte Prototypen von elektronischen Einrichtungen bekannt, welche Widerstandsstufenschalter ersetzen und mit kleinen Steuerleistungen arbeiten. Notwendigerweise müssen diese elektronischen Einrichtungen grosse Leistungen bewältigen, wenn es sich etwa um die Steuerungvon Fahrzeug- oder Walzwerkmotoren handelt. Solche Einrichtungen weisen siliziumgesteuerte Dioden auf und kosten ein Vielfaches einer Einrichtung mit Widerstandsstufenschaltern. Zudem ist die Betriebssicherheit von solchen elektronischen Einrichtungen, welche bei Eisenbahnen mit der Fahrleitung verbunden sind, nicht genügend, um sie in serienmässig gebauten Fahrzeugen verwenden zu können.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung benötigt sehr kleine Steuerleistungen und kann deshalb durch einen gewöhnlichen Akkumulator mit niedriger Spannung gespeist werden. Der Hauptzweck der Erfindung besteht darin, die Beschleunigung eines Fahrzeuges zu steuern, wodurch eine beträchtliche Ersparnis an Strom erzielbar ist, welche die allfälligen Verluste in den Widerständen des Stufenschalters mehr als aufwiegt.
Die Zahl der Fahrzeuge mit Gleichstrommotoren und Widerstandsstufenschaltern, welche heute im Bau sind und in den kommenden Jahren noch gebaut werden müssen, ist sehr viel grösser als die Zahl der allfällig zu bauenden Fahrzeuge, die an Stelle von Widerstandsstufenschaltern eine rein elektronische Einrichtung aufweisen werden.
Die Erfindung befriedigt deshalb für viele kommende Jahre ein echtes Bedürfnis der Technik, nämlich dasjenige nach einer einfachen, betriebssicheren und stromsparenden Steuerung von Widerstandsstufenschaltern.
Die Zeichnung zeigt beispielsweise ein Blockschema einer Ausführungsform der Erfindung, u. zw. für den Fall eines Fahrzeugmotors und insbesondere für eine Anfahrsteuervorrichtung eines Trolleybusmotors.
Die dargestellte Vorrichtung weist die folgenden Elemente auf :
Ein differenzierendes Element 1, das eine Spannung U erhält, die eine Funktion der Fahrzeugge-
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Strom Ea bildet, wobei kl eine Konstante und t die Zeit bedeuten. Zwischen dem Eingang und dem Ausgang dieses Elementes ist ein Kondensator-in Serie geschaltet, durch welchen der Strom Ea fliesst.
Ein lineares Element 2, das einen Strom Er in Funktion der vom Führer gewählten Pedalstellung (bei-
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diesem) erhält. Es weist eine solche Strom-Spannungs-Charakteristik auf, dass der Ausgangsstrom Ec zunächst Null ist und hierauf bei einem bestimmten Wert U positiv relativ steil ansteigt. Eine solche Charakteristik kann (für die Unempfindlichkeitszone) mit einer in Serie geschalteten Zenerdiode und (für den steil ansteigenden Teil) mit einem relativ schwachen Widerstand erhalten werden.
Ein Element 4, das einen Summierverstärker darstellt, der die algebraische Summe p = Er - Ea - Ec bildet. Er besitzt an seinem Eingang einen in Serie geschalteten Widerstand und zwischen dem Ausgang und dem Eingang einen Rückkopplungswiderstand. Dieses Prinzip ist bekannt.
Ein lineares Element 5, das eine Spannung Et liefert, welche eine Funktion zur Neigung alpha (beispielsweise proportional zu dieser) des durch den Führer betätigten Pedals ist.
Einen Integrator 6. der zum Integrieren der elektrischen Grösse p gemäss der Formel Uc = k./pdt dient, worin k eine Konstante bedeutet. Ausserdem kann die Spannung Uc einen durch das Element 5 gelieferten bestimmten Wert nicht überschreiten, was mit Hilfe einer Diode erreicht werden kann.
Ein nichtlineares Element 7liefert die Spannung Ul zum Steuern des ersten Kontaktschalters C Dieses Element wird durch ein elektronisches Relais gebildet, dessen Ansprechpunkt durch eine Bezugsspannung bestimmt wird.
Bei dem zum Element 7 analogen nichtlinearen Element 8 ist die Bezugsgrösse anders. Es liefert die (von U verschiedene) Spannung U2 zum Steuern des zweiten Kontaktschalters C2' Es1 ist eine ganze Reihe von Elementen 7 bzw. 8 vorgesehen, von denen jedes eine verschiedene Span- nung liefert, die zum Steuern eines zugehörigen einzelnen Kontaktschalters dient.
Bei der beschriebenen Vorrichtung werden in wirtschaftlicher Weise die Kontaktschalter mit dem Widerstandsstufenschalter zum Anfahren gekoppelt, u. zw. derart, dass jeder Kontakt während eines Anfahrvorganges mehrmals wirksam wird, nach einem seit langem bekannten Programm. Zur Durchführung dieses Programmes wird eine Rückkopplung zwischen zwei Relais hergestellt.
Es sei beispielsweise der Fall der beiden Kontaktschalter Cl und C2 betrachtet. Der Kontaktschalter Cl spricht beispielsweise auf eine Spannung Uc von einem Volt an, während die Ansprechspannung des
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KontaktschaltersC2 zwei Volt betrage. Wenn nun der letztere einschaltet, so schaltet der Kontakt Cl als Folge der Rückkopplung zwischen den Elementen 7 und 8 aus (da er nicht mehr unter Strom steht). Damit
Cl wieder einschaltet, muss die Spannung Uc auf drei Volt ansteigen, und in diesem Moment wirkt C, auf einen andern Kontaktschalter zurück : usw.
Die beschriebene Vorrichtung arbeitet wie folgt :
Es sei angenommen, dass der Fahrzeugführer das Fahrpedal niederdrücke. In den Summator 4 wird eine zur Winkelstellung des Pedals proportionale Spannung Er eingegeben. Da die Ableitung Ea Null ist, weil die Geschwindigkeit es ebenfalls ist, folgt p = Er. Die Spannung Uc steigt nun an und das Relais 7 bewirkt, dass Cl unter Strom kommt und einschaltet. In diesem Moment fliesst im Zugmotor Strom und es wird ein
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die Achse ausgeübte Drehmoment ebenfalls, und damit auch die Beschleunigung, wodurch für ein gegebe- nes At die Zunahme der Spannung Uc geringer wird.
Beim Anfahren mitgrossen Lasten auf einem steil ansteigenden Weg wird der Motorstrom gross. Da je- doch im Motor der zulässige Maximalstrom nicht überschritten werden soll, wird der Kreis 3 wirksam. In der Nähe des Maximalstromes steigt die Spannung Ec rasch an und der Wert p=Er - Ea - Ec wird Null, was verhindert, dass die Spannung Uc weiter ansteigt. Dadurch wird die bestehende Schaltstufe beibehalten.
Die Spannung Uc kann den Bezugswert Et nicht übersteigen, was bewirkt, dass die Anzahl der Schalt- stufen in Funktion der Führerpedalstellung begrenzt wird.
Wenn der Führer das Pedal loslässt, folgt die Spannung Uc sofort Et, da sie durch letzteren Wert be- grenzt ist, wodurch der Stufenschalter proportional zur Änderung von Et zurückschaltet.
Die Vorrichtung wurde mit Bezug auf eine Beschleunigung (Anfahren) beschrieben. Selbstverständlich bleibt das Prinzip im Falle einer Verzögerung (elektrische Bremsung, wobei der Kollektormotor als Generator arbeitet) gleich.
Aus dem beschriebenen Beispiel ersieht man, dass die Vorrichtung im Prinzip ein Organ aufweist, welches eine variable Spannung Uc erzeugt, sowie eine Reihe von durch diese Spannung gesteuerten elektronischen Relais, welche ihrerseits die Schaltkontakte steuern und so eingerichtet sind, dass sie auf verschiedene Spannungen ansprechen.
Bei andern Ausführungsformen können die Elemente 2, 3 und 5, oder auch nur 2 und 3, weggelassen werden.
Im beschriebenen Beispiel arbeitet das die Spannung Uc erzeugende Organ automatisch. Man könnte jedoch auch ein solches Organ vorsehen, welches durch den Führer betätigt würde, u. zw. in Funktion der Fahrgeschwindigkeit und der Arbeitsstromstärke des Motors, so wie sie der Führer auf den Anzeigeapparaten des Apparatebrettes beobachtet.
Wie schon eingangs erwähnt, ist die Erfindung nicht auf die Anwendung bei elektrischen Fahrzeugmotoren beschränkt. Man könnte sie auch anderswo, insbesondere bei Motoren zum Antrieb von Walzenstrassen verwenden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Steuervorrichtung für die Kontakte eines Widerstandsstufenschalters eines elektrischen Kollektormotors, gekennzeichnet durch einen Spannungsgeber, der eine wenigstens in Funktion der Geschwindigkeit eines durch den Motor angetriebenen Fahrzeuges oder einer andern durch ihn angetriebenen Maschine und des Arbeitsstromes des Motors veränderliche Spannung erzeugt, und durch eine Reihe von elektronischen Relais, die von dieser Spannung gesteuert werden und von denen jede einen Stufenkontakt steuert, wobei jedes Relais eine von den übrigen Relais verschiedene Ansprechspannung aufweist.