Anordnung zur Speisung von Gleichstrommotoren mit veränderlicher Spannung, mit Energieabnahme von einer konstanten Gleichspannungsquelle, insbesondere für elektrischen Bahnbetrieb Wie bekannt, werden Eisenbahn- und Strassenbahn netze mit konstantem Gleichstrom gespeist, bei denen zum Anfahren und zur Drehzahl-Regelung der Motoren komplizierte und teuere Apparaturen, die keine volle Ausnützung der Eigenschaften der Motoren gestatten, erforderlich sind.
Um die Vorteile, die die Speisung der Fahrmotoren mit einer geregelten veränderlichen Spannung bietet, aus nützen zu können, hat man zwischen Speisequelle und Fahrmotoren Transformatoren für die Gleichspannung eingeschaltet, welche entweder auf der Umwandlung durch einen Wechselspannungszwischenstromkreis oder auf dem Prinzip der periodischen elektronischen Schal ter (die sogenannten Chopper ) mit gesteuerten Halb leiterelementen (Thyristoren) beruhen.
Dieses System be sitzt einerseits den Vorteil, dass es keinen Wechselspan- nungszwischenstromkreis erfordert, aber es besitzt an dererseits den Nachteil, dass die Spannungsbeanspru chung der Thyristoren beim Schalten zu hoch ist, be sonders wenn es sich um Elemente handelt, welche mit höheren Spannungen gespeist werden, z.B. 3000 V, wie in den Netzen der italienischen Staatsbahnen und in Bahnen anderer Länder, so dass sie, wenn keine ge eigneten Massnahmen getroffen werden, zu reichlich und kostspielig bemessen werden müssten. Auch die zum Be trieb der Anordnung notwendigen Drosselspulen der Fil ter sind teuer und zwar umso mehr, je kleiner die Schalt frequenz ist.
Infolgedessen sollte die Schalthäufigkeit der periodischen elektronischen Schalter soweit wie möglich erhöht werden; aber auch dadurch entstehen Schwierig keiten, welche geeignete Massnahmen erfordern.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine An ordnung zur Speisung von Gleichstrommotoren mit ver änderlicher Spannung, mit Energieabnahme von einer konstanten Gleichspannungsquelle, mit Thyristoren als periodisch wirkenden elektronischen Schaltern, das die Überwindung der obengenannten Schwierigkeiten durch einfache und verhältnismässig billige Mittel gestattet.
Diese Anordnung ist erfindungsgemäss dadurch ge kennzeichnet, dass jeder Motor von der Spannungsquelle über eine Mehrzahl von Stromzweigen in Parallelschal tung gespeist wird, von denen jeder mindestens einen mit ihm in Reihe geschalteten Thyristor enthält, wobei die Thyristoren der verschiedenen Zweige gegenseitig phasen verschoben gezündet werden, u. dass in jedem Zweig mit dem bzw. den Thyristoren eine anzapfbare Drosselspule in Reihe liegt, der ein Löschkondensator parallel liegt, wobei parallel zu der Reihenschaltung von anzapfbarer Drosselspule und dem bzw.
den Thyristoren ein weiterer Kondensator parallel liegt und zwischen dem Lösch- kondensator und der anzapfbaren Drosselspule ein wei terer Thyristor vorgesehen ist, durch dessen Zündung die Löschung des bzw. der Thyristoren eingeleitet wird.
Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeich nung beschrieben, in welcher das vereinfachte elektrische Schaltbild eines Ausführungsbeispiels dargestellt ist, für den Fall der Speisung des Motors über vier parallelge schaltete Zweige.
Mit 1 ist einer der Fahrmotoren einer elektrischen Lokomotive mit seiner Serienfeldwicklung 2 bezeichnet, mit 3 der Feldumschalter für die Umkehrung der Fahr richtung.
Die Speisung erfolgt aus der Fahrleitung 4 mit kon stanter Gleichspannung über den Schnellschalter 5 und den aus der Seriedrosselspule 15 und dem Parallelkon densator 16 gebildeten Filter.
Die Gleichspannungs-Transformatoranordnung be steht aus vier Zweigen in Parallelschaltung, die mit A, B, C, D bezeichnet sind und von welchen jeder eine Reihe von Thyristoren 6 enthält, deren Anzahl dem Wert der Speisespannung angepasst ist. In Reihe zu den Thy- ristoren ist eine anzapfbare Drosselspule 12 in Luft oder mit Eisenkern und Luftspalt, sowie eine Drosselspule 13 geschaltet. Die Thyristören werden phasenverschoben gezündet. In jedem Zweig ist ein Kondensator 10 der Reihe von Thyristoren 6, Drosselspule 12 parallel geschaltet.
Ausserdem liegt eine Diode 9 zur Reihe Spule 13, Mo tor 1 parallel. An der Drosselspule 12 mit einstellbarer Anzapfung ist über eine Diode 8 der Löschkondensator 11 angeschlossen, der in Reihe mit einer sättigbaren Spule 12' liegt. Zwischen dem Verbindungspunkt dieser Diode 8 und dem Kondensator 11 und einer weiteren Anzapfung der Drosselspule 12 befindet sich ein weiterer Thyristor 7 entgegengesetzt geschaltet wie die Diode B.
Der Stromkreis für die Zündung jedes Thyristors 6 be steht aus einem Isoliertransformator 17 mit Diode 18, derjenige für den Thyristor 7 aus einem Isoliertransfor- mator 19 und der Diode 20.. Mit einer Hilfswicklung der Drosselspule 12 ist über die Diode 8' eine Einrich tung 21, zum Beispiel eine Akkumulatorenbatterie, ver bunden, welche Energie aufnehmen kann, wobei die Spannung konstant gehalten wird. In einer Variante kann anstatt der Hilfswicklung der Drosselspule 12 mit Diode 8' und Batterie 21 eine Diode 22 parallel zur Reihe Drosselspule 12, Spule 13 und Fahrmotor 1,2 (gestri chelt) geschaltet werden.
Die Anordnung arbeitet wie folgt: die Fahrleitungs- spannung wird dem Motor in Form von Spannungsim pulsen bestimmter Frequenz und veränderlicher Dauer (oder veränderlicher Frequenz und Dauer), geglättet durch die Induktanz der Spule 13, zugeführt. Durch ein elektronisches Steuer- und Regelungssystem, welches nicht dargestellt und an sich bekannt ist, wird den Thyri- storen 6 ein Zündimpuls a gegeben, welchem dann nach einer veränderlichen Dauer, aber innerhalb der Periode der ausgewählten Frequenz, ein Impuls b folgt, der mit tels des Thyristors 7 die Sperrung der Thyristoren 6 be wirkt.
Diese Zündimpulse a sind in den Zweigen A, B, C, D phasenverschoben, so dass auch die Durchlasszeit der jeweiligen Thyristoren phasenverschoben ist.
Bei der Zündung der Thyristoren 6 entlädt sich der Kondensator 10, dessen Beläge die volle Spannung be sitzen, über den Löschkondensator 11, wobei diesem eine Minimalladung zugeteilt wird, welche für die nach folgende Löschung genügt. Diese Aufladung kann durch Einfluss der Selbstinduktivität des Transformators 12 zunehmen, je grösser der vom Motor aufgenommene Strom ist. Anfänglich ist die volle Spannung an der Drosselspule 12 angelegt.
Wenn der von der Fahrleitung abgenommene Strom demjenigen gleich ist, der durch die Spule 13 fliesst, verschwindet der Strom in der Ent lastungsdiode 9, (welcher wegen des vorher bestehenden Stromes im Motor floss) diese sperrt, so dass die volle Spannung nun an die Spule 13 und an den Motor ange legt wird.
Nach einer gewünschten Zwischenpause wird die Löschung der Thyristoren 6 durch den Impuls b be wirkt, der den Thyristor 7 zündet. Der Kondensator 11 entlädt sich über den Transformator 12; der grösste Teil des Entladestromes fliesst hierbei in Richtung durch die Thyristoren 6 und bewirkt deren Löschung; dabei fliesst er durch den Kondensator 10 und lädt diesen auf. Ein kleinerer Teil des Stromes fliesst über den Trans formator 12 in Richtung zur Spule 12'. Dieser Strom hat für den Löschvorgang keine Bedeutung. Durch den Kondensator 10 fliesst jedoch zugleich noch Strom durch die Spule 13 und den Motor 1, bis der Kondensator 10 vollkommen geladen ist.
In diesem Augenblick wird der Strom vom Netz zum Motor vollständig unterbrochen, während der Motorstrom noch durch die Diode 9 Weiter- fliessen kann. Die Gesamtdauer der Umschaltung, also vom Durchlasszustand bis zur vollständigen Sperrung, hängt von der Kapazität des Kondensators 10 ab, bzw. von der Dauer seiner Wieder-Aufladung. Die getroffene Massnahme, d.h. den Kondensator 11 über den Konden sator 10 zu entladen, kürzt die Dauer der Umschaltung der gesamten Anordnung, und ermöglicht die Erhöhung der Schalthäufigkeit, mit dem Vorteil kleiner Bemessung der verschiedenen Teile und bei geeigneter umgewandel ter Spannung.
Von dem Augenblick an, wenn der Strom in den Thyristoren 6 gelöscht wird, entlädt sich der Kondensa tor 11, der noch teilweise geladen ist, in Form einer Schwingung über die Drosselspule 12.
Die in diesem induzierte Spannung würde sich in der zweiten Halbperiode der Schwingung, zu der zunehmen den Spannung des Kondensators 10 addieren und die Spannungsbeanspruchung der Thyristoren 6 über den Wert der Leitungsspannung erhöhen.
Um diesen Nachteil, der zu einer reichlicheren und kostspieligeren Bemessung der Thyristoren 6 führen würde, zu vermeiden, wird die Hilfswicklung der Dros selspule 12 vorgesehen, welche über die Diode 8' mit einer Batterie 21, oder mit einer anderen Einrichtung, welche geeignet ist, Energie aufzunehmen, verbunden ist. Wenn die Spannung an den Klemmen des Kondensators 11 ihre Polarität ändert, wird sich die noch in dem Stromkreis 11-12 befindliche Energie über die Diode 8' auf die Batterie 21 entladen, und die kaum begonnene Schwingung wird unterbrochen. Dasselbe kann man mit der Diode 22 erreichen, (die gestrichelt dargestellt ist). In diesem Falle würde sich die Energie unmittelbar über die Last selbst entladen.
Wenn die Leit- und Umschaltphase von Durchlass auf Sperrung beendet ist, fliesst der Motorstrom 1 über die Diode 9 noch weiter, bis bei einem neuen Zünd- impuls a der Vorgang, wie beschrieben, neu anfängt.
Mit der Parallelschaltung von mehreren, wie die be schriebenen, Stromkreisen (vier in dem dargestellten Aus führungsbeispiel), wobei die Schaltung der Thyristoren 6 phasenverschoben ist, kann man eine wesentlich höhere Frequenz des gesamten Systems erreichen, was in bezug auf die Bemessung der Filter 15-l6 von Vorteil ist.
Arrangement for supplying direct current motors with variable voltage, with energy consumption from a constant direct voltage source, especially for electrical rail operation As is known, railway and tram networks are fed with constant direct current, in which complicated and expensive apparatus for starting and regulating the speed of the motors, which do not allow full use of the properties of the motors are required.
In order to be able to use the advantages that the supply of the traction motors with a regulated variable voltage offers, transformers for the DC voltage have been switched between the supply source and traction motors, which are either based on the conversion by an AC voltage intermediate circuit or on the principle of periodic electronic switches (The so-called chopper) are based on controlled semiconductor elements (thyristors).
This system has the advantage that it does not require an alternating voltage intermediate circuit, but it also has the disadvantage that the voltage stress of the thyristors when switching is too high, especially when it comes to elements that are fed with higher voltages be, e.g. 3000 V, as in the networks of the Italian state railways and in railways of other countries, so that if no suitable measures are taken, they would have to be measured too abundantly and costly. The inductors of the Fil ter necessary to operate the arrangement are also expensive and the more the lower the switching frequency, the more so.
As a result, the switching frequency of the periodic electronic switches should be increased as much as possible; But this also creates difficulties which require suitable measures.
The present invention relates to an arrangement for feeding DC motors with ver changeable voltage, with energy consumption from a constant DC voltage source, with thyristors as periodically acting electronic switches, which allows the above difficulties to be overcome by simple and relatively cheap means.
According to the invention, this arrangement is characterized in that each motor is fed from the voltage source via a plurality of current branches in parallel connection, each of which contains at least one thyristor connected in series with it, the thyristors of the various branches being ignited in mutually shifted phases, u. that in each branch with the thyristor (s) there is a tapped choke coil in series, with a quenching capacitor in parallel, with the series connection of the tapped choke coil and the or
Another capacitor is parallel to the thyristors and a further thyristor is provided between the quenching capacitor and the inductor that can be tapped, by the ignition of which the quenching of the thyristor or thyristors is initiated.
The invention will be described with reference to the accompanying drawing, in which the simplified electrical circuit diagram of an exemplary embodiment is shown, in the event that the motor is fed via four branches connected in parallel.
1 with one of the traction motors of an electric locomotive with its series field winding 2 is designated, with 3 the field switch for reversing the direction of travel.
The power is supplied from the contact line 4 with constant DC voltage via the quick switch 5 and the capacitor 16 formed from the series choke coil 15 and the Parallelkon.
The DC voltage transformer arrangement consists of four branches connected in parallel, which are denoted by A, B, C, D and each of which contains a series of thyristors 6, the number of which is adapted to the value of the supply voltage. A tapped choke coil 12 in air or with an iron core and air gap, as well as a choke coil 13, are connected in series with the thyristors. The thyristors are triggered out of phase. In each branch, a capacitor 10 of the series of thyristors 6, inductor 12 is connected in parallel.
In addition, a diode 9 is parallel to the series coil 13, Mo tor 1. The quenching capacitor 11, which is in series with a saturable coil 12 ', is connected to the choke coil 12 with an adjustable tap via a diode 8. Between the connection point of this diode 8 and the capacitor 11 and another tap of the choke coil 12 there is another thyristor 7 connected in the opposite direction to the diode B.
The circuit for the ignition of each thyristor 6 consists of an insulating transformer 17 with diode 18, that for the thyristor 7 consists of an insulating transformer 19 and the diode 20 .. With an auxiliary winding of the choke coil 12 is a device via the diode 8 ' 21, for example a storage battery, connected which can absorb energy, the voltage being kept constant. In a variant, instead of the auxiliary winding of the choke coil 12 with diode 8 'and battery 21, a diode 22 can be connected in parallel to the series of choke coil 12, coil 13 and traction motor 1.2 (dashed).
The arrangement works as follows: the catenary voltage is fed to the motor in the form of voltage pulses of a certain frequency and variable duration (or variable frequency and duration), smoothed by the inductance of the coil 13. By an electronic control and regulation system, which is not shown and is known per se, the thyristor 6 is given an ignition pulse a, which is then followed after a variable duration, but within the period of the selected frequency, a pulse b, which with means of the thyristor 7, the blocking of the thyristors 6 acts.
These ignition pulses a are phase-shifted in branches A, B, C, D, so that the conduction time of the respective thyristors is also phase-shifted.
When the thyristors 6 are ignited, the capacitor 10, the deposits of which are seated at full voltage, is discharged via the quenching capacitor 11, which is assigned a minimum charge which is sufficient for the subsequent quenching. This charging can increase due to the influence of the self-inductance of the transformer 12, the greater the current drawn by the motor. Initially, the full voltage is applied to the choke coil 12.
If the current taken from the contact line is the same as that flowing through the coil 13, the current in the Ent lastungsdiode 9 (which flowed because of the previously existing current in the motor) blocks it, so that the full voltage is now applied to the coil 13 and is applied to the engine.
After a desired interval, the deletion of the thyristors 6 will be effected by the pulse b which ignites the thyristor 7. The capacitor 11 discharges through the transformer 12; most of the discharge current flows in the direction through the thyristors 6 and causes them to be extinguished; in the process, it flows through the capacitor 10 and charges it. A smaller part of the current flows through the transformer 12 in the direction of the coil 12 '. This current has no meaning for the deletion process. However, at the same time, current still flows through the capacitor 10 through the coil 13 and the motor 1 until the capacitor 10 is fully charged.
At this moment the current from the mains to the motor is completely interrupted, while the motor current can still flow through the diode 9. The total duration of the switchover, that is to say from the on-state to complete blocking, depends on the capacitance of the capacitor 10 or on the duration of its recharging. The measure taken, i.e. to discharge the capacitor 11 through the capacitor 10, shortens the duration of the switching of the entire arrangement, and enables the switching frequency to be increased, with the advantage of small dimensioning of the various parts and with a suitable converted voltage.
From the moment when the current in the thyristors 6 is deleted, the capacitor 11, which is still partially charged, is discharged in the form of an oscillation through the choke coil 12.
The voltage induced in this would increase in the second half cycle of the oscillation to which the voltage of the capacitor 10 would increase and the voltage stress on the thyristors 6 would increase above the value of the line voltage.
In order to avoid this disadvantage, which would lead to a more abundant and more expensive dimensioning of the thyristors 6, the auxiliary winding of the choke coil 12 is provided, which is connected via the diode 8 'to a battery 21, or to another device which is suitable Absorbing energy is connected. When the voltage at the terminals of the capacitor 11 changes its polarity, the energy still present in the circuit 11-12 is discharged via the diode 8 'to the battery 21, and the oscillation which has barely started is interrupted. The same can be achieved with diode 22 (shown in dashed lines). In this case the energy would discharge itself directly through the load.
When the conducting and switching phase from passage to blocking has ended, the motor current 1 continues to flow through the diode 9 until the process starts again as described with a new ignition pulse a.
With the parallel connection of several, like the ones described, circuits (four in the illustrated exemplary embodiment), the circuit of the thyristors 6 being out of phase, you can achieve a much higher frequency of the entire system, which in terms of the size of the filter 15 -l6 is beneficial.