DE1035190B - Verfahren zur Nutzbremsung fuer aus einer Wechselstromfahrleitung gespeiste und ueber Stromrichter mit Gleichstrom-motoren betriebene Fahrzeuge - Google Patents

Verfahren zur Nutzbremsung fuer aus einer Wechselstromfahrleitung gespeiste und ueber Stromrichter mit Gleichstrom-motoren betriebene Fahrzeuge

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DE1035190B
DE1035190B DEB22948A DEB0022948A DE1035190B DE 1035190 B DE1035190 B DE 1035190B DE B22948 A DEB22948 A DE B22948A DE B0022948 A DEB0022948 A DE B0022948A DE 1035190 B DE1035190 B DE 1035190B
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DE
Germany
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voltage
inverter
regenerative braking
motors
braking
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DEB22948A
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English (en)
Inventor
Karl Mohrdieck
Dr Wilhelm Nowag
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BBC Brown Boveri France SA
Original Assignee
BBC Brown Boveri France SA
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Publication date
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L7/00Electrodynamic brake systems for vehicles in general
    • B60L7/10Dynamic electric regenerative braking
    • B60L7/16Dynamic electric regenerative braking for vehicles comprising converters between the power source and the motor

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Description

  • Verfahren zur Nutzbremsung für aus einer Wechselstromfahrleitung gespeiste und über Stromrichter mit Gleichstrommotoren betriebene Fahrzeuge Es ist bekannt, bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen mit Gleichstrom-Fahrmotoren, die über Stromrichter aus einer Fahrleitung mit Wechselstrom gespeist werden, den Stromrichter sowohl zur Umformung von Wechsel- in Gleichstrom als auch -beim Bremsen - von Gleich- in Wechselstrom zu verwenden und die Bremsenergie in den Fahrdraht zurückzuliefern (Nutzbremsung). Die Spannungsregelung erfolgt dabei in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit bei beiden Betriebsarten durch Veränderung des Zündzeitpunktes des Stromrichters mit Hilfe der Gittersteuerung.
  • Da bekanntlich der Leistungsfaktor, mit dem ein Stromrichter arbeitet, schlecht wird, wenn die Gleichstromspannung durch die Gittersteuerung stark heruntergeregelt wird, hat man zur Verbesserung des Leistungsfaktors die Regelung durch Gittersteuerung mit einer Spannungsregelung durch Stufentransformator auf der '\Ä.Techselstromseite vereinigt. Dabei war nur der jeweils zwischen zwei Stufen des Stufentransformators liegende Spannungsbereich durch eine Regelung mit Gittersteuerung zu überbrücken.
  • Schließlich hat man auch eine Reihen- und Parallelschaltung der Fahrmotoren sowie eine Feldregelung bei diesen mit in die Gesamtregelung einbezogen.
  • Es sind auch Fahrtregler bekannt, bei denen alle vier Regelungsarten in zwangläufiger Abhängigkeit voneinander angewendet werden.
  • Bei allen diesen bekannten Verfahren wurde stets die Gittersteuerung als wesentlicher Bestandteil der Regelung benutzt. Dies war schon deshalb notwendig, weil bei der Nutzbremsung eine durch Gittersteuerung bewirkte Strombegrenzung, die dabei mindestens sehr wünschenswert ist, nur dann möglich ist, wenn der als Wechselrichter arbeitende Stromrichter vor dem Einsetzen der Strombegrenzung nicht voll ausgesteuert ist.
  • Nun wirkt sich aber bei einer Nutzbremsung die mit jeder Regelung durch Gittersteuerung verbundene Verschlechterung des Leistungsfaktors mit ihren bekannten nachteiligen Folgen besonders unangenehm aus, denn es wird dabei induktive Blindleistung aus dem Netz entnommen, während gleichzeitig Wirkleistung in das Netz zurückgeliefert wird. Eine Verschlechterung des Leistungsfaktors wirkt sich also hierbei gewissermaßen in doppelter Hinsicht aus.
  • Bei einem Verfahren zur Nutzbremsung für aus einer Wechselstrom-Fahrleitung gespeiste und über Stromrichter mit Gleichstrommotoren betriebene Fahrzeuge werden diese Nachteile nach der Erfindung dadurch vermieden, daß die Aussteuerung des als Wechselrichter arbeitenden Stromrichters im ganzen Nutzbremsbereich auf den höchsten, mit Rücksicht auf das Kippen des Wechselrichters zulässigen Wert eingestellt bleibt und daß der Bremsstrom nur durch Feldregelung der Fahrmotoren und durch Änderung der Anodenspannung des Stromrichters geregelt wird und daß eine zum Kippen des Wechselrichters führende Überlastung durch eine auf die Fahrmotoren einwirkende Strombegrenzung verhindert wird. Die unverändert gehaltene Aussteuerung des Stromrichters als Wechselrichter kann hierbei so eingestellt werden, daß die Anoden jeweils eine sehr kurze Zeit vor dem Augenblick zünden, in dem die Augenblickswerte der Anodenspannungen einander gleich werden.
  • Die Strombegrenzung für die Fahrmotoren wird durch eine Gegenverbundwicklung oder eine ähnlich wirkende Anordnung erreicht.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel für eine Nutzbremsung nach der Erfindung schematisch dargestellt.
  • Fig. 1 zeigt unter Weglassung aller für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Einzelheiten die Fahrschaltung und Fig. 2 die Nutzbremsschaltung.
  • Der Regeltransformator 3 steht einerseits über dem Höchststromschalter 2 und den nicht näher bezeichneten Stromabnehmer mit dem Fahrdraht 1 und andererseits mit der Erde bzw. den Schienen in Verbindung. An die Regelwicklung des Regeltransformators 3 ist über einen nicht näher bezeichneten Stufenschalter od. dgl. der Stromrichtertransformator 4 angeschlossen, der mit seiner nicht näher bezeichneten Sekundärwicklung in üblicher Weise über die gesteuerten Entladungsstrecken 5 und eine Glättungsdrosselspule 6 die Fahrmotoren 7-7a und 8-8a mit ihren Reihenschlußfeldwicklungen 7a und 8a speist. Die Gittersteuerungseinrichtung , und sonstige Regelgeräte sind in den Figuren nicht mit dargestellt. Die Regelung im Fahrbetrieb kann sowohl durch Gittersteuerung als auch durch deri Stufenschalter als auch durch Feldregelung ider Fahrmotoren erfolgen.
  • Zur Vorbereitung der Nutzbremsung wird mit Hilfe nicht gezeichneter Schaltgeräte die Schaltung der Fig. 2 hergestellt. Die Reihenschlußfeldwicklungen 7a und 8a der Fahrmotoren werden dabei -zweckmäßig in Reihenschaltung - an eine Gleichstromquelle, z. B. an den Anker 10 einer mit konstanter Geschwindigkeit angetriebenen Erregermaschine mit ihrer in üblicher Weise regelbaren Feldwicklung 11 angeschlossen, und zwar so, daß sich die Fahrmotoren beim Bremsbetrieb gegenüber dem Fahrbetrieb umpolen, so daß also eine Umschaltung im Hauptstromkreis vermieden wird.
  • Die Erregermaschine 10-11 wird zunächst nur wenig oder gar nicht erregt. Gleichzeitig wird die Gittersteuerung der Stromrichters auf Wechselrichterbetrieb umgeschaltet. Die Gittersteuerung wird dabei unveränderlich, und zwar auf eine Vorzündung eingestellt, bei der der Wechselrichter unter voller Last gerade noch nicht kippt. Gegebenenfalls kann eine geringe stromabhängige Verschiebung des Zündzeitpunktes vorgesehen werden, und zwar so, daß bei sinkendem Strom die Vorzündung etwas verringert und damit der Leistungsfaktor verbessert wird. Ferner wird der Stufenschalter am Regeltransformator 3 auf eine der Fahrgeschwindigkeit entsprechende, vorzugsweise die höchste Spannungsstufe eingestellt.
  • Zur Einleitung der Bremsung werden nach Herstellung der Bremsschaltung die Fahrmotoren 7-7d und 8-8a mit Hilfe der Erregermaschine 10-11 erregt. Sobald ihre Spannung dabei einen der Stellung des Stufenschalters entsprechenden Wert überschreitet, beginnt der Stromrichter als Wechselrichter zu arbeiten, d. h., er liefert Energie in den Fahrdraht.
  • Bei abnehmender Fahrgeschwindigkeit und bei Regelung auf gleichbleibende Bremswirkung mit Hilfe der Erregermaschine 10-11 wird diese schließlich ihre höchste Spannung erreichen. Von nun an wird die weitere Regelung des Bremsstromes durch Verringerung der am Regeltransformator 3 abgegriffenen Spannung vorgenommen.
  • Zur Erzielung einer als Strombegrenzung wirkenden Gegenkompoundierung der Fahrmotoren ist im dargestellten Ausführungsbeispiel in an sich bekannter Weise in den Stromkreis der Fahrmotoranker 7, 8 und ihrer Feldwicklungen 7a, 8a der Widerstand 12 eingeschaltet, der von den Strömen beider Stromkreise im gleichen Sinne durchflossen wird. Eine Zunahme des Ankerstromes der Fahrmotoren bewirkt dabei eine entsprechende Abnahme des Erregerstromes, also eine Feldschwächung, die der Zunahme des Ankerstromes entgegenwirkt und dadurch verhindert, daß der letztere unzulässige hohe Werte annimmt. Die Strombegrenzung kann natürlich auch in irgendeiner anderen an sich bekannten Art und Weise erzielt werden. Sie muß nur ohne Veränderung der Aussteuerung des Stromrichters durchgeführt werden.
  • Da, wie gesagt, die Gittersteuerung des Stromrichters beim Bremsen stets auf eine möglichst kleine Vorzündung, d. h. auf einen möglichst hohen Leistungsfaktor, eingestellt ist, würde ein vorübergehender Ausfall der Wechselspannung, der z. B. durch ein kurzzeitiges Abheben des Stromabnehmers vom Fahrdraht 1 entstehen kann, sofort ein Kippen des Wechselrichters verursachen.
  • Um das zu verhindern, kann nach einer Weiterbildung der Erfindung eine kleine Wechselstrommaschine 9 vorgesehen werden, die etwa an einen nicht näher bezeichneten Abgriff des Regeltransformators 3 angeschlossen wird und in der Lage ist, kurzzeitig als Generator zu arbeiten, den Regeltransformator unter Spannung zu halten und damit die erforderliche Kommutierungsspannung für den Wechselrichter zu liefern.
  • Vorzugsweise wird man dazu eine Synchronmaschine verwenden. Sie wird zweckmäßig mit starker Übererregung betrieben, so daß sie als Generator eine genügend hohe Spannung abgibt. Natürlich können auch mehrere solcher Maschinen vorhanden sein.
  • Um die Nutzbremsung noch weicher zu gestalten, können nach einer Weiterbildung der Erfindung Widerstände 13 in die Ankerstromkreise der Fahrmotoren eingeschaltet werden. In diesen Widerständen wird zwar ein Teil der Bremsenergie vernichtet, sie bieten aber den großen Vorteil, daß sie zusammen mit dem Widerstand 12 insbesondere den Stoßkurzschlußstrom der Fahrmotoren begrenzen, der auftritt, wenn während der Bremsung doch einmal, z. B. bei einem längeren Ausfall der Fahrdrahtspannung, der Stromrichter kippen sollte. Diese Widerstände tragen also wesentlich zur Erhöhung der Betriebssicherheit der Anordnung bei. Außerdem begünstigen sie eine gleichmäßige Verteilung des Bremsstromes auf die zueinander parallel geschalteten Fahrmotoren.
  • Statt der Synchronmaschine kann auch eine Asynchronmaschine mit parallel geschaltetem Kondensator verwendet werden, der bei Ausfall der Fahrdrahtspannung für die Selbsterregung der Maschine als Generator sorgt.
  • Zur Unterstützung der Maschine kann auch ein Kondensator 14 vorgesehen sein, der während einer Trennung der Schaltung vom Fahrdraht zur Blindstromlieferung dient und außerdem im Normalbetrieb eine Verkürzung der Kommutierungszeit bewirkt und dadurch eine Erhöhung des zulässigen Bremsstromes ermöglicht.
  • Unter Umständen kann ein solcher Kondensator auch allein zur Aufrechterhaltung des Wechselrichterbetrieb-es bei Stromunterbrechungen dienen.
  • Zur praktischen Durchführung des Verfahrens nach des Erfindung kann zweckmäßig ein Fahrschalter verwendet werden, in dem die Regelung der generatorischen Fahrmotoren-Gleichspannung mit der Regelung der Transformator-Wechselspannung so gekuppelt ist, daß beide Regelungen zwangläufig in der vorgesehenen Reihenfolge erfolgen.

Claims (6)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Nutzbremsung für aus einer Wechselstromfahrleitunggespeiste und über Stromrichter mit Gleichstrommotoren betriebene Fahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussteuerung des als Wechselrichter arbeitenden Stromrichters im ganzen Nutzbremsbereich auf den höchsten, mit Rücksicht auf das Kippen des Wechselrichters zulässigen Wert eingestellt bleibt und daß der Bremsstrom nur durch Feldregelung der Fahrmotoren und durch Änderung der Anodenspannung des Stromrichters geregelt wird und daß eine zum Kippen des Wechselrichters führende Überlastung durch eine auf die Fahrmotoren einwirkende Strombegrenzung verhindert wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einleitung der Nutzbremsung mit der Umschaltung des Stromrichters auf Wechselrichterbetrieb ein der Spannungsregelung dienender Regeltransformator zunächst auf eine hohe, vorzugsweise die höchste Spannungsstufe eingestellt wird, daß nach Herstellung der Bremsschaltung die Spannung der als Generatoren arbeitenden Fahrmotoren hochgeregelt wird und daß erst dann, wenn der Höchstwert dieser Spannung erreicht ist, durch den Regeltransformator die Anodenspannung des Wechselrichters verringert wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrmotoren bei der Nutzbremsung als fremderregte Generatoren mit Gegenkompoundierung arbeiten und dabei so erregt werden, daß ihre Spannung derjenigen Spannung entgegengerichtet ist, mit der sie als Motoren arbeiten.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Kommutierungsspannung für den Wechselrichter bei kurzzeitigem Ausbleiben der Fahrdrahtspannung ein Kondensator oder eine dabei als Generator arbeitende Hilfsmaschine, vorzugsweise eine Synchronmaschine, dient oder daß beide Mittel gleichzeitig angewendet werden.
  5. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Ankerstromkreis der Fahrmotoren Widerstände eingeschaltet werden.
  6. 6. Fahrschalter zur Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in ihm die Regelung der generatorischen Fahrmotoren-Gleichspannung mit der Regelung der Transformator-Wechselspannung so gekuppelt ist, daß beide Regelungen zwangläufig in der vorgesehenen Reihenfolge erfolgen. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 714 527.
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DE714527C (de) * 1936-07-15 1941-12-02 Siemens Ag Steuerung fuer einen elektromotorischen Gleichstromantrieb, der ueber einen bei Energierichtungswechsel gleichstromseitig umschaltbaren Stromrichter mit einem Wechselstromnetz verbunden ist

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